振荡流基本特性及其对斯特林循环关键部件传热传质的影响

发布时间：2020-05-15 10:02

【摘要】：斯特林发动机在可再生能源、分布式能源以及水下动力等方面具有很大的应用潜力。振荡流是斯特林循环的基本特征,但由于缺乏系统的研究,目前绝大多数的斯特林循环分析方法只能采用单向流的理论及关联式代替振荡流进行建模,难以全面描述以振荡流为特征的斯特林循环中的传热传质以及热功转换机制,导致模型适用范围窄、误差大,非常有必要针对振荡流的基本特性及其对斯特林循环关键部件的传热传质的影响开展系统研究,为分析和建模提供理论指导和数据支撑。振荡流的前期研究大多以不可压缩流动为基本的假设条件,与实际斯特林循环中包含压缩膨胀的振荡流的传热传质过程之间存在较大差异。采用实验研究与模拟分析相结合的方法,探讨了工质的压缩和膨胀对振荡流轴向和径向流场的影响规律。发现沿轴向不同截面的流速与压力之间存在明显的相位差,导致各截面上质量流的幅度和相位角出现较大的差异。首次提出了循环率δ(cycle rate)的概念(截面气体循环质量与活塞扫气质量的比值),发现循环率沿轴向随着体积Vmon(监测截面与膨胀腔入口截面间的体积)的增加呈现抛物线分布;基于此,修正了不可压缩振荡流的部分无量纲参数。对于径向流场的影响,主要体现在“速度环”出现的时间、持续时间和强度。提出以最大无量纲速度(最大监测点速度与截面平均速度之比)作为特征参数,分析工质压缩和膨胀对各个截面“速度环”出现时刻的影响规律。在相同循环平均动力雷诺数下(738.6～754.8),工质的压缩和膨胀还能使“速度环”的强度和持续的时间分别增强和延长2.00～85.38%和4-49.7%。研究了回热器对振荡流的影响,在本研究的实验工况范围内,发现振荡流流阻关联式与单向流的差异为7.11～25.84%,如将单向流的流阻系数关联式运用到振荡流模型中,最大压降误差和循环平均压降误差分别为7.3%和9.6%。需要指出的是,表观上看,虽然单向流和振荡流的流动阻力差异较小,但是回热器的压降对振荡流的质量流量影响很大,这也是许多斯特林循环分析方法中常常忽视的地方。研究发现,只有当振荡流无量纲压降小于4.22×10-2时,才能忽略压降对振荡流的影响。回热器压降增加会导致回热器质量流幅度和循环率迅速减小,基于修正的无量纲流动幅度和动力雷诺数提出了适用于可压缩振荡流的回热器流阻系数相关方程。此外,回热器的压降还会造成回热器内工质的运动滞后于活塞运动,提出了基于修正的无量纲流动幅度、回热器长度与水力直径比和动力雷诺数的无量纲相位差的计算关联式。另外,回热器流阻还会对相邻换热器的质量流产生较大影响,各截面的质量流可以采用本文提出的公式进行估算。可见,振荡流的基本特性都与循环率、动力雷诺数和无量纲流动幅度这三个参数有关,因此,提出了基于这三个无量纲参数的可压缩振荡流的定量分析方法。分析了斯特林循环中加热管和冷却管的传热传质特性,发现工质压缩和膨胀引起的换热过程的转换(加热-冷却或冷却-加热)和换热管轴向换热的滞后性,是“温度环”产生的主要原因。振荡流的非稳态换热特性对振荡流循环换热有重要影响。相同雷诺数下冷却管反向流动减速段的平均Nu比单向流高12.79～20.47%,加速段的平均Nu要比单向流小1.18～6.17%。总体而言,加热过程的循环平均Nu比单向流高-1.62～5.71%,冷却过程的循环平均Nu比单向流高0.31-6.17%。建立了基于本研究的相关数据和关联式的Simple模型,在分析GPU-3型斯特林发动机时发现其适用性和精度得到较大提高。在较宽的工况范围内(氦气,2.76MPa、4.41MPa、5.52MPa和6.9MPa),循环功的最大相对误差从59%减小至23.15～30.85%,热效率的最大相对误差从38%减小至15.52～16.05%。
【图文】：

斯特林发动机,发动机,结构图,分析方法

（２．９６ＭＰａ，邋１１２５ｒｐｍ）逡逑斯特林发动机可以分为３部分：换热器（加热器、回热器和冷却器）、密封逡逑（活塞、活塞杆和传动轴的动密封）以及机械传动，如图１．３所示。对于机械传逡逑动和密封，技术相对成熟和稳定，而密封结构的耐用性很大程度上取决于材料。逡逑换热器是斯特林发动机设计中比较复杂的一部分，相同功率级别的发动机，不同逡逑厂家研发出来的机器的热电效率不一样，或者是研发出来的机器的输出功率低于逡逑设计值，这与目前斯特林循环分析方法不完善有很大的关系。ＭａｒｔｉｎｉＰＵ将斯特林逡逑循环分析方法分为四种：一阶、二阶、三阶和四阶，不少研究者对这些分析方法逡逑进行了改进，在模型中逐浙添加了各种损失，模型的精度逐步得到提高。逡逑Ｍｏｈ＿ａｄ等人［２２１就ＧＰＵ－３斯特林发动机某一工况对比了不同分析方法的计算逡逑结果，输出功的预测误差从４１％减小至３．１４％，效率的预测误差从１７６．７％减少逡逑至０．９％

振荡流,假定值,圆管,平均速度

不少研究者将其筒化成不可压缩流动来进行研究，采用的实验装置多采用单逡逑活塞或者开口系统来进行。通常将活塞的运动假设成正弦运动，振荡流工质的速逡逑度一般也认为是近似正弦变化，图１．４所示为Ｚｈａｏ和（＾６１＾［３４］采用热线风速仪逡逑测量得到的圆管截面平均速度与假定的正弦函数方程计算值的对比（由于热线风逡逑速仪不能识别流动方向，所以输出值都为正值），两者差异较小。为了更好的描逡逑述和分析振荡流中的现象，一些相似准则数相继被提出来：最大雷诺数／？ｅｍａｘ、逡逑动力雷诺数（也称瓦伦西数ｙａ），斯托克斯数Ｘ和无量纲流动幅度ｙｌｆ５－３＇逡逑如表１．４所示。最大雷诺数／？ｅｍａｘ的定义与单向流类似，速度采用循环最大速度逡逑计算。动力雷诺数的定义有不同的版本，定义式梢有不同，但都表示的是无量纲逡逑频率。无量纲流动幅度的定义是工质相对扫气幅度，有的采用管道长度作为特征逡逑长度，有的采用管道直径作为特征长度。斯托克斯数的定义为管道半径与斯逡逑托克边界层厚度的比值
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124

【参考文献】