碟式太阳能斯特林发动机热交换系统及工质流场分析

摘要

斯特林发动机是碟式太阳能热发电系统中的关键部件，其性能的好坏直接影响热发电系统的效率。弄清楚斯特林发动机热交换系统的换热机理及其内部工质的流场分布对斯特林发动机的设计和优化具有特殊意义。本文以25kWα型四缸双作用斜盘传动的碟式太阳能斯特林发动机的热交换系统为研究对象，对其换热机理及其内部工质流动特性展开研究，主要包括以下内容:
　　斯特林发动机热交换系统热力循环与换热机理研究。通过对斯特林理想循环与实际循环的分析，验证了由于无益容积以及各种损失的存在，实际斯特林循环效率低于卡诺循环效率;以α型斯特林发动机为例，简述了施密特分析方法，对斜盘及其活塞的运动作了分析;基于斯特林发动机热交换系统各环节的换热机理，建立了其相应的换热物理模型。
　　斯特林发动机热交换系统设计及分析。根据设计要求，对斯特林发动机热交换系统结构与参数进行了分析，确定了热交换系统的无益容积，计算了单个做功单元在一个循环内的循环功;基于斜盘及其活塞运动分析和热交换系统（加热器、回热器和冷却器）的设计计算，建立了25kWα型四缸双作用斯特林发动机热交换系统的三维几何模型以及热交换系统热损失与热效率的数学模型，并分析了系统各种热损失对系统热效率的影响。
　　斯特林发动机热交换系统内工质流场数值模拟及分析。在斯特林发动机热交换系统几何模型基础之上，建立了斯特林发动机热交换系统的仿真模型;基于计算流体力学的基本理论知识，结合热交换系统内工质流动特性，建立了工质流动与换热的数学模型;根据斯特林发动机的实际工况设定数值求解参数，对热交换系统工作过程中工质流场进行了数值模拟，揭示了不同时刻工质的速度、压力以及温度的分布规律，得到了工质速度场复杂且瞬态变化、回热器内温度成线性分布且状态稳定、采用弧形替代直角可减小因涡流消耗的部分系统能量等结论。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 斯特林发动机研究方法研究现状

1．2．2 斯特林发动机整机研究现状

1．2．3 斯特林发动机关键部件研究现状

1．3 本文主要研究内容

第二章 斯特林发动机热交换系统热力循环及换热机理分析

2．1 斯特林理想循环和实际循环

2．1．1 斯特林理想循环

2．1．2 斯特林实际循环

2．2 斯特林循环热力分析

2．2．1 热力分析假设条件

2．2．2 斜盘及其活塞运动分析

2．2．3 斯特林循环热力分析

2．3 斯特林发动机热交换系统的换热机理研究

2．3．1 热交换系统换热原理

2．3．2 热交换系统换热分析

2．4 本章小结

第三章 25kW斯特林发动机热交换系统设计及分析

3．1 斯特林发动机的初步设计

3．1．1 设计依据

3．1．2 无益容积的确定

3．1．3 循环功计算

3．2 热交换系统设计及分析

3．2．1 加热器设计及分析

3．2．2 回热器设计及分析

3．2．3 冷却器设计及分析

3．3 热交换系统热损失及热效率分析

3．3．1 系统热损失数学模型

3．3．2 系统热效率数学模型

3．3．3 结果分析

3．4 本章小结

第四章 热交换系统内工质流场数值模拟及分析

4．1 引言

4．2 仿真模型创建及网格划分

4．2．1 仿真模型创建

4．2．2 网格划分

4．3 计算流体力学基本理论

4．3．1 工质流动基本控制方程

4．3．2 湍流模型

4．3．3 动网格模型

4．3．4 数值计算方法

4．3．5 FLUENT软件简介

4．4 数值求解边界条件设置

4．4．1 基本假设

4．4．2 边界条件与初始条件

4．5 热交换系统数值计算结果分析

4．5．1 工质速度场分析

4．5．2 工质温度场分析

4．5．3 工质压力场分析

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

附录A：攻读硕士学位期间发表的研究成果