单向流和振荡流下斯特林回热器的换热特性研究

发布时间：2020-06-01 04:57

【摘要】：回热器作为斯特林发动机中的三大换热部件之一,对发动机的输出功率和热效率等参数都有着重要影响。然而,由于缺乏回热器在振荡流下的换热特性研究,在斯特林循环分析方法中通常采用单向流下的换热关联式进行替代,使得分析结果与实际运行情况存在较大偏差,影响发动机的设计与优化效果。针对这一情况,本文从数值模拟和实验方法两方面入手,对回热器在单向流和振荡流下的换热特性差异进行了研究。单向流模拟基于孔隙尺度,分析了不同工质、压力、温度、流速、丝网目数下回热器换热特性的变化规律,并对模拟结果进行总结,拟合出特定雷诺数范围内Nu数与Re数的经验关联式:Nu=-9.74+3.78Re0.36。定性分析了孔隙尺度下的温度场云图及流线图,发现工质流经丝网时产生的温降及扰动会对换热过程产生影响。搭建单向流回热器换热实验台,改进单吹法对拟合关联式进行验证,实验和模拟结果的最大差别为2.09%,验证了孔隙方法得到的拟合关联式的准确性。借助非热平衡模型,分析了回热器固体的轴向、径向温度分布随时间变化的规律,发现单向流下回热器壁面导热损失占比随时间递增。将孔隙方法扩展到振荡流工况下,分析不同热端温度、入口流速及工作频率下回热器中振荡流周期内的瞬态换热规律。结果表明:工质在振荡流的加速与减速期间内的加热及冷却过程的换热特性存在较大差异,相同Re数下,冷却过程的Nu数比加热过程高1%-22%;整体而言,一个周期内振荡流的换热量比对应工况下的单向流换热量高20%左右,振荡流的换热效果优于单向流。汇总模拟结果,提出加热及冷却过程的Nu-Re关联式:Nu=3.56+0.36Re0.66和Nu=17.67+0.37Re0.64。通过振荡流换热实验对模拟结果进行验证,实验与模拟结果的平均相对差值为6.57%,验证了振荡流模拟的准确性。
【图文】：

１．２．１概述逡逑１８１６年，英国牧师罗伯特？斯特林（ＲｏｂｅｒｔＳｔｉｒｌｉｎｇ）设计并制造出了第一台逡逑斯特林发动机，如图１－２所示，用于采石场上带动水泵工作。斯特林发动机密封逡逑回路中工质气体利用外部热源提供的热量实现周期性的膨胀和压缩，完成热能向逡逑机械能的转换，在发明后的几十年间得到了广泛应用。但是，由于当时的斯特林逡逑发动机都选择空气作为换热的介质，其导热系数较低。于此同时，受限于当时的逡逑材料加工和机械制造技术，斯特林发动机中的换热部件远未达到预期中的换热效逡逑果，导致发动机整体的换热效率低下、功率小、体积大，，最终逐渐被内燃机代替。逡逑

本文编号：2690973