【摘要】：斯特林發(fā)動機(jī)在可再生能源、分布式能源以及水下動力等方面具有很大的應(yīng)用潛力。振蕩流是斯特林循環(huán)的基本特征,但由于缺乏系統(tǒng)的研究,目前絕大多數(shù)的斯特林循環(huán)分析方法只能采用單向流的理論及關(guān)聯(lián)式代替振蕩流進(jìn)行建模,難以全面描述以振蕩流為特征的斯特林循環(huán)中的傳熱傳質(zhì)以及熱功轉(zhuǎn)換機(jī)制,導(dǎo)致模型適用范圍窄、誤差大,非常有必要針對振蕩流的基本特性及其對斯特林循環(huán)關(guān)鍵部件的傳熱傳質(zhì)的影響開展系統(tǒng)研究,為分析和建模提供理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐。振蕩流的前期研究大多以不可壓縮流動為基本的假設(shè)條件,與實(shí)際斯特林循環(huán)中包含壓縮膨脹的振蕩流的傳熱傳質(zhì)過程之間存在較大差異。采用實(shí)驗(yàn)研究與模擬分析相結(jié)合的方法,探討了工質(zhì)的壓縮和膨脹對振蕩流軸向和徑向流場的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)沿軸向不同截面的流速與壓力之間存在明顯的相位差,導(dǎo)致各截面上質(zhì)量流的幅度和相位角出現(xiàn)較大的差異。首次提出了循環(huán)率δ(cycle rate)的概念(截面氣體循環(huán)質(zhì)量與活塞掃氣質(zhì)量的比值),發(fā)現(xiàn)循環(huán)率沿軸向隨著體積Vmon(監(jiān)測截面與膨脹腔入口截面間的體積)的增加呈現(xiàn)拋物線分布;基于此,修正了不可壓縮振蕩流的部分無量綱參數(shù)。對于徑向流場的影響,主要體現(xiàn)在“速度環(huán)”出現(xiàn)的時間、持續(xù)時間和強(qiáng)度。提出以最大無量綱速度(最大監(jiān)測點(diǎn)速度與截面平均速度之比)作為特征參數(shù),分析工質(zhì)壓縮和膨脹對各個截面“速度環(huán)”出現(xiàn)時刻的影響規(guī)律。在相同循環(huán)平均動力雷諾數(shù)下(738.6～754.8),工質(zhì)的壓縮和膨脹還能使“速度環(huán)”的強(qiáng)度和持續(xù)的時間分別增強(qiáng)和延長2.00～85.38%和4-49.7%。研究了回?zé)崞鲗φ袷幜鞯挠绊?在本研究的實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi),發(fā)現(xiàn)振蕩流流阻關(guān)聯(lián)式與單向流的差異為7.11～25.84%,如將單向流的流阻系數(shù)關(guān)聯(lián)式運(yùn)用到振蕩流模型中,最大壓降誤差和循環(huán)平均壓降誤差分別為7.3%和9.6%。需要指出的是,表觀上看,雖然單向流和振蕩流的流動阻力差異較小,但是回?zé)崞鞯膲航祵φ袷幜鞯馁|(zhì)量流量影響很大,這也是許多斯特林循環(huán)分析方法中常常忽視的地方。研究發(fā)現(xiàn),只有當(dāng)振蕩流無量綱壓降小于4.22×10-2時,才能忽略壓降對振蕩流的影響。回?zé)崞鲏航翟黾訒䦟?dǎo)致回?zé)崞髻|(zhì)量流幅度和循環(huán)率迅速減小,基于修正的無量綱流動幅度和動力雷諾數(shù)提出了適用于可壓縮振蕩流的回?zé)崞髁髯柘禂?shù)相關(guān)方程。此外,回?zé)崞鞯膲航颠€會造成回?zé)崞鲀?nèi)工質(zhì)的運(yùn)動滯后于活塞運(yùn)動,提出了基于修正的無量綱流動幅度、回?zé)崞鏖L度與水力直徑比和動力雷諾數(shù)的無量綱相位差的計(jì)算關(guān)聯(lián)式。另外,回?zé)崞髁髯柽€會對相鄰換熱器的質(zhì)量流產(chǎn)生較大影響,各截面的質(zhì)量流可以采用本文提出的公式進(jìn)行估算�？梢�,振蕩流的基本特性都與循環(huán)率、動力雷諾數(shù)和無量綱流動幅度這三個參數(shù)有關(guān),因此,提出了基于這三個無量綱參數(shù)的可壓縮振蕩流的定量分析方法。分析了斯特林循環(huán)中加熱管和冷卻管的傳熱傳質(zhì)特性,發(fā)現(xiàn)工質(zhì)壓縮和膨脹引起的換熱過程的轉(zhuǎn)換(加熱-冷卻或冷卻-加熱)和換熱管軸向換熱的滯后性,是“溫度環(huán)”產(chǎn)生的主要原因。振蕩流的非穩(wěn)態(tài)換熱特性對振蕩流循環(huán)換熱有重要影響。相同雷諾數(shù)下冷卻管反向流動減速段的平均Nu比單向流高12.79～20.47%,加速段的平均Nu要比單向流小1.18～6.17%�？傮w而言,加熱過程的循環(huán)平均Nu比單向流高-1.62～5.71%,冷卻過程的循環(huán)平均Nu比單向流高0.31-6.17%。建立了基于本研究的相關(guān)數(shù)據(jù)和關(guān)聯(lián)式的Simple模型,在分析GPU-3型斯特林發(fā)動機(jī)時發(fā)現(xiàn)其適用性和精度得到較大提高。在較寬的工況范圍內(nèi)(氦氣,2.76MPa、4.41MPa、5.52MPa和6.9MPa),循環(huán)功的最大相對誤差從59%減小至23.15～30.85%,熱效率的最大相對誤差從38%減小至15.52～16.05%。
【圖文】：

（２．９６ＭＰａ，邋１１２５ｒｐｍ）逡逑斯特林發(fā)動機(jī)可以分為３部分：換熱器（加熱器、回?zé)崞骱屠鋮s器）、密封逡逑（活塞、活塞桿和傳動軸的動密封）以及機(jī)械傳動，如圖１．３所示。對于機(jī)械傳逡逑動和密封，技術(shù)相對成熟和穩(wěn)定，而密封結(jié)構(gòu)的耐用性很大程度上取決于材料。逡逑換熱器是斯特林發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)中比較復(fù)雜的一部分，相同功率級別的發(fā)動機(jī)，不同逡逑廠家研發(fā)出來的機(jī)器的熱電效率不一樣，或者是研發(fā)出來的機(jī)器的輸出功率低于逡逑設(shè)計(jì)值，這與目前斯特林循環(huán)分析方法不完善有很大的關(guān)系。ＭａｒｔｉｎｉＰＵ將斯特林逡逑循環(huán)分析方法分為四種：一階、二階、三階和四階，不少研究者對這些分析方法逡逑進(jìn)行了改進(jìn)，在模型中逐浙添加了各種損失，模型的精度逐步得到提高。逡逑Ｍｏｈ＿ａｄ等人［２２１就ＧＰＵ－３斯特林發(fā)動機(jī)某一工況對比了不同分析方法的計(jì)算逡逑結(jié)果，輸出功的預(yù)測誤差從４１％減小至３．１４％，效率的預(yù)測誤差從１７６．７％減少逡逑至０．９％

不少研究者將其筒化成不可壓縮流動來進(jìn)行研究，采用的實(shí)驗(yàn)裝置多采用單逡逑活塞或者開口系統(tǒng)來進(jìn)行。通常將活塞的運(yùn)動假設(shè)成正弦運(yùn)動，振蕩流工質(zhì)的速逡逑度一般也認(rèn)為是近似正弦變化，圖１．４所示為Ｚｈａｏ和（＾６１＾［３４］采用熱線風(fēng)速儀逡逑測量得到的圓管截面平均速度與假定的正弦函數(shù)方程計(jì)算值的對比（由于熱線風(fēng)逡逑速儀不能識別流動方向，所以輸出值都為正值），兩者差異較小。為了更好的描逡逑述和分析振蕩流中的現(xiàn)象，一些相似準(zhǔn)則數(shù)相繼被提出來：最大雷諾數(shù)／？ｅｍａｘ、逡逑動力雷諾數(shù)（也稱瓦倫西數(shù)ｙａ），斯托克斯數(shù)Ｘ和無量綱流動幅度ｙｌｆ５－３＇逡逑如表１．４所示。最大雷諾數(shù)／？ｅｍａｘ的定義與單向流類似，速度采用循環(huán)最大速度逡逑計(jì)算。動力雷諾數(shù)的定義有不同的版本，定義式梢有不同，但都表示的是無量綱逡逑頻率。無量綱流動幅度的定義是工質(zhì)相對掃氣幅度，有的采用管道長度作為特征逡逑長度，有的采用管道直徑作為特征長度。斯托克斯數(shù)的定義為管道半徑與斯逡逑托克邊界層厚度的比值
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TK124

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2664857