高超声速飞行器飞行过程中会产生强烈的气动热,对气动热的防护是高超声速技术的难点之一。目前针对飞行器大面积区域的气动热,主要通过隔热结构来阻断、延缓气动热量的传递。随着高超声速飞行器的发展,对气动热的处理将不只局限于传统的热防护方式,而利用热电转换技术将气动热量转换为电能并为飞行器提供热防护将会成为新的研究方向。本文在高超声速飞行器大面积区域气动热背景下,通过建立基于朗肯循环的壁面热电转换系统的热力学模型,对壁面热电转换系统的热力学性能进行仿真研究;利用数值方法对所选型设计的壁面换热器内的流动过程以及涡旋膨胀机内的膨胀过程进行模拟;通过完善系统其余部件,确定系统运行的额定工况以及临界工况,评估系统的输出性能。具体内容如下:(1)通过建立基于朗肯循环的壁面热电转换系统的热力学模型,分析了采用不同工质时蒸发压力对系统性能的影响,研究了系统运行稳定后飞行器外壁面温度对系统性能以及?损失的影响规律。结果表明:蒸发压力与系统输出净功以及朗肯循环热效率呈正相关,飞行器外壁面温度与系统总效率以及系统?损失呈负相关,结合系统的性能以及飞行器内部的热防护需求,确定了系统的循环工况。(2)以工质在壁面换热器内的汽化效果以及热防护效果作为性能评价指标,分析了不同通道层数和工质不同流动方式对壁面换热器性能的影响,对比了工质水和环戊烷在壁面换热器内换热效果的差异,在本文计算条件下,选择环戊烷作为工质,并确定工质正向流动时3层通道的壁面换热器为最优结构。针对所选型的涡旋膨胀机,通过切向气体力的求解,对比分析了涡旋膨胀机不同转速下的输出功率,随着转速的提高,输出功率与系统流量几乎呈线性增加,系统流量增加后会导致系统体积增大,因此涡旋膨胀机的额定转速不能过高。(3)在前文计算基础上,确定了系统其他部件,完善系统并确定了系统的额定运行工况,额定工况下系统比功率为23.49W/kg,总效率为2.729%。相比于直接将热电单元嵌入隔热结构中的热电转换装置,本文设计的系统比功率有所提高,并且系统运行过程中能够保证额定发电量并为飞行器提供较好的热防护效果。此外,计算得到当外壁面热流为90kW/m~2时为系统能够运行的临界工况,临界工况下系统总效率为2.665%。