Page 36 - 《含能材料》火工品技术合集 2015~2019

不 同 桥 形 微 结 构 换 能 元 的 仿 真 设 计 与 实 验 研 究 1057

微结构换能元桥区初始为固态，随着换能元通电
时间的增加，桥区温度逐渐增加，当桥区温度超过桥区
材料熔点时，固态逐渐变为液态，从而发生流动，即桥
区熔断。因此，针对设计的不同桥形换能元，主要进行
电热及流固换热的仿真分析，获得不同输入条件下的
温升曲线、桥区最高温度及流固换热区域分布情况，通
过对比分析获得较优桥形结构。
仿真研究采用恒流和电容放电两种激励方式，恒
流激励 100~600 mA，梯度 100 mA，换能层 NiCr 合金
图 1 换能元桥形设计结构（单位：mm）
Fig.1 Design structures of bridge shapes for energy conver⁃ 及基底层 Pyrex7740 玻璃的热力学参数见表 1。
sion components（units：mm）
表 1 两种材料的热力学参数
F⁃150）为基础桥形进行结构变换，其中倒“V”结构，桥区 Table 1 Thermodynamic parameters of two kinds of materials
两侧保持 150 μm，将桥区中心分别缩小至 50，100 μm， density melting specific heat thermal
materials conductivity
得到两种不同的倒“V”结构，命名为 V⁃50 和 V⁃100；梯 / kg·m -3 point / K / J·（kg·K） -1
/ W·（m·K） -1
形结构，桥区中心宽度保持 150 μm，将桥区两侧分别 Pyrex7740 2500 1525 753 1.4
缩小至 50，100 μm，得到两种不同的梯形结构，命名 NiCr 8400 1673 460 15
为 T⁃50 和 T⁃100；曲线结构，桥区两侧保持 150 μm，将
桥中心缩小至 100 μm，得到一种双曲线结构，命名为 2.2.2 仿真结果分析
S⁃100；桥区中心宽度保持 150 μm，将桥区两侧缩小至 恒流激励条件下（200 mA），不同设计桥形微结构
100 μm，得到一种类似椭圆结构，命名为 S⁃150；菱形 换能元仿真计算的温升速率曲线如图 3 所示。由图 3

结构，桥区中心宽度保持 150 μm，极距变为 290 μm， 可知，在 200 mA 恒流激励条件下，不同设计桥形微结
菱形边长为 150 μm，菱形两侧各延伸 15 μm 长、50 μm 构换能元温升速率具有明显差异，其中 V⁃50 和 L⁃1 桥

宽的结构，命名为 L⁃1。 形换能元温升速率明显高于其他桥形，且其输出温度
2.2 微结构换能元仿真研究 也相对较高。
2.2.1 模型建立与仿真方法

仿 真 研 究 基 于 ANSYS Workbench 平 台 ，采 用
DesignModeler 建立换能元的几何模型，如图 2 所示，
采用 ANSYS Meshing 对几何模型划分网格，建立有限
元模型。首先采用 ANSYS Mechanical 进行电路模型
在通电下的焦耳热计算，提取各材料单位体积下的发
热 功 率 ，进 而 采 用 ANSYS Fluent 进 行 流 体 热 力 学 分
析，流体力学模型需考虑周边空气的散热作用，所以流
体仿真模型在结构模型上包围空气域。流体仿真考虑
图 3 不同桥形换能元恒流（200 mA）激励下的温升速率
固体的融化与凝固、多相流模型。 Fig.3 Temperature rise rate under the constant current exci⁃
tation of 200 mA for energy conversion components with dif⁃
ferent bridge shapes
随后，对比分析 8 种桥形换能元的流固换热区域，
如图 4 所示。由图 4 可知，除 F⁃150、S⁃150 和 L⁃1 桥形
之外，其它桥形均在拐角处优先发生流固热交换，即热
图 2 微结构换能元 1/4 几何模型
Fig.2 1/4 geometric models of microstructure energy conver⁃ 量 集 中 的 地 方 ，也 就 是 最 易 断 桥 的 位 置 。 其 中 ，以
sion components V⁃50 桥形为例，桥区中心最窄，通电过程中电流密度

CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS 含能材料 2018 年 第 26 卷 第 12 期 （1056-1060）