自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱交換器的性能研究.pdf

1、隨著全球污染與能源枯竭兩大問題的日益加劇，太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿刃屡d可再生能源倍受人們的關(guān)注。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)以其多種能源的廣泛適用性和優(yōu)良的熱性能已越來越受到人們的重視。而熱交換器作為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，其性能直接影響斯特林機(jī)的效率和功率比，因此對(duì)熱交換器的研究具有重要的意義。
　　因氣體工質(zhì)在自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)加熱器和冷卻器內(nèi)是往復(fù)流動(dòng)的，因此，本文通過建立振蕩流模型分析加熱器和冷卻器的流動(dòng)和換熱性能，為加熱器和冷卻器的理論

2、研究以及設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。
　　本文首先對(duì)小功率(300 W)自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)，對(duì)其功率進(jìn)行了初步的估算和優(yōu)化處理，獲得了加熱器和和冷卻器的幾何結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，利用GAMBIT軟件進(jìn)行物理建模，通過商業(yè)軟件FLUENT進(jìn)行數(shù)值求解。采用質(zhì)量入口和壓力出口邊界條件，并添加UDF文件，實(shí)現(xiàn)加熱器和冷卻器內(nèi)部工質(zhì)的振蕩流動(dòng)，分析不同情況下的流動(dòng)特性與換熱特性。
　　在加熱器振蕩流模型中，

3、分別在熱壁面上添加三角形環(huán)翅片、矩形環(huán)翅片和弧形環(huán)翅片以及使用泡沫金屬多孔介質(zhì)強(qiáng)化換熱，分析了一個(gè)振蕩周期內(nèi)溫度場(chǎng)以及流場(chǎng)的變化。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：振蕩流動(dòng)下管道長(zhǎng)度的選取要綜合考慮流阻損失和換熱量。翅片結(jié)構(gòu)中三角形環(huán)翅片具有最優(yōu)的強(qiáng)化換熱效果，其次是弧形環(huán)翅片，矩形環(huán)翅片的強(qiáng)化效果最差；翅片高度越大，流場(chǎng)擾動(dòng)越劇烈，換熱量越大，但同時(shí)流動(dòng)阻力損失也增大，綜合考慮換熱量以及 Performance Evaluation Criteria（P

4、EC）值，在寬度5 mm的通道內(nèi)最優(yōu)翅片高度為0.2-0.3 mm。使用泡沫金屬多孔介質(zhì)具有最優(yōu)的強(qiáng)化換熱效果，其PEC值明顯大于翅片結(jié)構(gòu)的，孔隙率增大，換熱系數(shù)減小，壓降也同時(shí)減小，在0.9左右時(shí)具有最大的PEC值。
　　在冷卻器振蕩流模型中，分別使用三角形環(huán)翅片、矩形環(huán)翅片、弧形環(huán)翅片以及熱管冷卻的方式來達(dá)到強(qiáng)化冷卻的目的，通過數(shù)值模擬得到了一個(gè)振蕩周期內(nèi)速度場(chǎng)以及溫度場(chǎng)的變化。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：振蕩流動(dòng)時(shí)，熱流密度和熱流量都隨時(shí)