β型自由活塞式斯特林装置的CFD模拟与实验研究

摘要

随着能源短缺和环保意识的逐渐加强，自由活塞式斯特林装置因具有高效率、寿命长、污染小、结构简单等一系列优点而被相关的科研工作者所重视。自由活塞式斯特林发动机具有多种燃料适应性，采用了板弹簧柔性支撑技术，被广泛应用于航空航天、太阳能及生物质能发电等领域。自由活塞式斯特林制冷机较传统制冷机的单级制冷温区大，采用直线电机驱动，现已被广泛用于红外技术、空间观测、低温生物等尖端领域。本文以Fluent软件为平台，对在研的自由活塞式斯特林装置进行了二维整机模拟研究，主要有以下几方面内容：
　　第一，本文对自主在研的一款自由活塞式斯特林装置进行了二维简化，基于Fluent软件，采用动网格技术及UDF函数，分别对其作为制冷机和发动机时的情况下进行了模拟计算。研究表明：不论对于制冷机还是发动机，热腔与冷腔中密度分布均匀，膨胀腔、压缩腔中存在涡流耗散；回热器是最主要的压降组件且呈现出复杂的流动换热特征，压力分布在流体流向转变时刻呈现出非单调变化；另外，还得到了热腔与冷腔的示功图及输出功。
　　第二，通过参数敏感性分析，研究了充气压力、振动频率、相位差、热端温度及回热器参数对整机性能的影响，当上述参数变化时，得到了斯特林装置中热腔与冷腔压力振幅、回热器两端压力降、回热器两端温度、压力损失比、质量流量及功率的变化趋势。
　　第三，对这款自由活塞式斯特林装置进行了实验研究，实验主要监测了热腔与冷腔中的压力、动力活塞及配气活塞的加速度随时间的变化，对实验数据处理后分析了发动机和制冷机的变工况特性。另外，在选定工况下，将实验中膨胀腔与压缩腔中的压力与模拟结果进行了对比，分析表明数值模拟的误差在15％以内。

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1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 斯特林装置发展现状及结构

1.3 斯特林装置的关键技术

1.4 本文主要研究内容

2自由活塞斯特林发动机的二维整机模拟

2.1 自由活塞斯特林发动机的发展

2.2 数学模型

2.3 几何模型及模拟参数设置

2.4 模拟结果分析

2.5 参数敏感性分析

2.6 本章小结

3自由活塞斯特林制冷机的二维整机模拟

3.1 自由活塞斯特林制冷机的发展

3.2 几何模型及数学模型

3.3 模拟结果分析

3.4 参数敏感性分析

3.5 本章小结

4自由活塞式斯特林装置的实验研究

4.1 国内外实验研究现状

4.2 自由活塞斯特林发动机的实验研究

4.3 自由活塞斯特林制冷机的实验研究

4.4 本章小结

5全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文

附录2 硕士期间参与的项目