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。 【关键词】：碟式太阳能 斯特林发动机 热交换系统 流场特性 数值模拟
【学位授予单位】：湖南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK401
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-17
• 1.2.1 斯特林发动机研究方法研究现状11-13
• 1.2.2 斯特林发动机整机研究现状13-15
• 1.2.3 斯特林发动机关键部件研究现状15-17
• 1.3 本文主要研究内容17-20
• 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20-34
• 2.1 斯特林理想循环和实际循环20-24
• 2.1.1 斯特林理想循环20-23
• 2.1.2 斯特林实际循环23-24
• 2.2 斯特林循环热力分析24-28
• 2.2.1 热力分析假设条件24-25
• 2.2.2 斜盘及其活塞运动分析25-27
• 2.2.3 斯特林循环热力分析27-28
• 2.3 斯特林发动机热交换系统的换热机理研究28-32
• 2.3.1 热交换系统换热原理28-29
• 2.3.2 热交换系统换热分析29-32
• 2.4 本章小结32-34
• 第三章 25kW 斯特林发动机热交换系统设计及分析34-54
• 3.1 斯特林发动机的初步设计34-38
• 3.1.1 设计依据34-35
• 3.1.2 无益容积的确定35-36
• 3.1.3 循环功计算36-38
• 3.2 热交换系统设计及分析38-46
• 3.2.1 加热器设计及分析38-40
• 3.2.2 回热器设计及分析40-45
• 3.2.3 冷却器设计及分析45-46
• 3.3 热交换系统热损失及热效率分析46-52
• 3.3.1 系统热损失数学模型46-48
• 3.3.2 系统热效率数学模型48-49
• 3.3.3 结果分析49-52
• 3.4 本章小结52-54
• 第四章 热交换系统内工质流场数值模拟及分析54-70
• 4.1 引言54
• 4.2 仿真模型创建及网格划分54-58
• 4.2.1 仿真模型创建54-56
• 4.2.2 网格划分56-58
• 4.3 计算流体力学基本理论58-63
• 4.3.1 工质流动基本控制方程58-60
• 4.3.2 湍流模型60-61
• 4.3.3 动网格模型61-63
• 4.3.4 数值计算方法63
• 4.3.5 FLUENT 软件简介63
• 4.4 数值求解边界条件设置63-64
• 4.4.1 基本假设63-64
• 4.4.2 边界条件与初始条件64
• 4.5 热交换系统数值计算结果分析64-68
• 4.5.1 工质速度场分析64-66
• 4.5.2 工质温度场分析66-67
• 4.5.3 工质压力场分析67-68
• 4.6 本章小结68-70
• 第五章 总结与展望70-72
• 5.1 全文总结70
• 5.2 研究展望70-72
• 参考文献72-76
• 致谢76-78
• 附录 A：攻读硕士学位期间发表的研究成果78

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