汽车热电发电机系统中挡板几何结构的多物理场仿真与优化研究：提升性能与效率的创新设计

为解决汽车热电发电机(TEG)系统因换热器几何结构导致的性能瓶颈问题，研究人员通过COMSOL多物理场模型系统评估了7种挡板布局策略(包括均匀与非均匀构型)及30°-160°倾角变化对TEG输出功率、背压损耗及转换效率的影响。研究发现非均匀挡板布局可使净输出功率提升15.95%，最高转换效率达1.86%，为平衡热传递增强与排气阻力提供了关键设计准则，对提升汽车废热回收效率具有重要意义。

　　

研究背景与意义
汽车发动机约三分之一的燃料能量以废气热能形式流失，热电发电机(TEG)因其固态转换、无运动部件等优势成为废热回收的重要技术。然而现有研究多聚焦于热电材料优化，对换热器核心组件——挡板的几何参数研究存在明显空白：传统设计仅考虑高度、厚度等有限参数，对非均匀排布策略和大角度变化(30°-160°)的影响缺乏系统认知，导致TEG面临热传递不均、背压损耗大等瓶颈问题。

研究设计与方法
研究人员构建了包含排气换热器、8个冷却水箱及2×4热电模块(TEM)阵列的三维TEG系统，采用COMSOL Multiphysics建立流体-热-电多物理场耦合模型。关键技术包括：(1)基于k-ε湍流模型的流体动力学仿真；(2)热电材料Bi₂
Te₃
的温度依赖性参数建模；(3)7种挡板排布模式(均匀模式A，非均匀模式B1/D2等)的对比分析；(4)关键性能指标量化体系(输出功率P_out
、净功率P_net
=P_out
-P_b
、转换效率η等)。

核心发现

1. 温度与电压分布特性
   非均匀挡板布局显著改变温度场分布：下游密集排布模式(B2/C2/D2)使第四列TEM出现温度反弹现象，电压均匀性系数γ提升至0.9以上，有效缓解串联系统的功率失配问题。

2. 空间排布优化效应
   密集上游-稀疏下游的D1模式在650K工况下实现18.03W净功率(较均匀布局提升15.95%)，而C1模式转换效率达1.86%。背压分析显示D1布局压力梯度更平缓，最小背压损耗仅15.75W。

3. 挡板角度影响机制
   160°大角度设计使净功率达10.29W(550K)，但60°时转换效率峰值1.42%。流场可视化表明45°倾角产生扭流效应，而90°结构易形成流动死区。

结论与展望
该研究首次系统揭示了非均匀挡板布局与角度协同优化对TEG性能的提升机制：密集上游排布降低16%背压损耗，下游集中排布提升电压均匀性12%。成果发表于《Results in Engineering》为汽车TEG设计提供了"热传递-流阻"平衡的量化依据，对推动碳减排技术具有工程指导价值。未来研究可结合瞬态工况与新型热电材料，进一步挖掘TEG在混合动力系统中的应用潜力。