微型间歇式回热器流动及换热特性研究

发布时间：2017-07-29 08:26

  本文关键词：微型间歇式回热器流动及换热特性研究

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【摘要】：近年来,微型内燃机凭借其能量密度高的巨大优势正成为新一代便携式电源的发展趋势。本文正是基于中科院广州能源所、工程热物理所、南京航空航天大学提出的微型三臂摆动式发动机概念,针对其热工效率低于10%的情况,开展了对其能量损失的主要途径的分析,提出了通过加装回热器进行余热回收的方法来提高发动机热工效率,发明了一种带回热器的微型摆式发动机混合循环原理,同时,对回热器中存在着的小尺度小流量以及间歇式换热这两大特性进行了分析研究,主要工作和结论如下:发动机运行多缸混合循环时,回热器可通过回收发动机尾气中以及腔体泄漏的热量加热预混压缩气体,在理论上不仅可以保证发动机正常运行并且有效提高了热工效率。对于小尺度小流量的特点,先在二维平行平板通道中讨论了两种经典的热边界条件——恒热流与恒壁温条件的适用性,结果表明:冷热气体进口热容相同,换热情况近似恒热流;固体材料导热系数增加,换热趋于恒壁温,但仍不可用后者替代;雷诺数极小时,比表面积较大的因素决定了换热近似恒壁温。接着,采用恒热流边界条件代替热气,数值模拟单圆管通道中Re?150~1500的层流流动与换热,结果表明:流动方面,阻力系数变化规律与常规尺度趋势相同,但低雷诺数时需考虑管径的影响,管径越小,阻力系数越小;传热方面,气体物性随温度变化较大;轴向导热效应恶化换热效率且受几何尺寸的影响。最后,设计了套管换热器,并着重分析了轴向导热效应对换热有效度的影响,发现不同几何参数、固体材料导热系数对轴向导热效应影响程度不同,根据所得结论,对回热器进行优化,把有效度的下降值控制在5%之内。对于间歇式换热的特点,对前文已设计的套管换热器在简化工况下进行数值模拟研究,得到了不同于定常换热的两个主要特点,分别为:固壁轴向导热效应显著以及固壁温度随时间的产生周期波动。并提出了评价两个特性的无量纲参数气固传热热阻与固体轴向导热热阻比*R以及气体与固壁热容量比*C,分析了影响这两个参数的因素以及作用机制。基于前文对小尺度间歇式流动及换热的研究,初步设计了应用于摆式发动机的管壳式回热器,发现了真实工况下的换热有效度低于简化定常设计工况约26%,增加阻流板强化换热的方法理论上可提升10%,设计试验进行验证时发现壁面散热以及管路导热严重影响试验结果,有待进一步研究。
【关键词】：微型摆式发动机 微型回热器 细小尺度流动与换热 轴向导热效应 尺度效应 间歇式换热
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK401
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 注释表13-14
• 缩略词14-15
• 第一章 绪论15-22
• 1.1 研究背景15-16
• 1.2 国内外研究现状16-20
• 1.2.1 微型回热器设计技术国内外研究现状16-18
• 1.2.2 细小尺度通道流动及换热国内外研究现状18-19
• 1.2.3 间歇式流动及换热国内外研究现状19-20
• 1.3 研究目标与主要内容20-22
• 第二章 带回热器的混合循环微型摆式发动机原理分析22-31
• 2.1 微型摆式发动机回热技术的可行性分析22-24
• 2.2 带回热多腔室摆式发动机结构及工作循环原理分析24-28
• 2.3 摆式发动机的回热器工况分析28-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第三章 小尺度通道内流动及换热特性研究31-62
• 3.1 数值模拟中的相关问题31-32
• 3.1.1 重要公式及参数的描述31-32
• 3.1.2 数值计算中的一些问题及解决方法32
• 3.2 平行平板细通道层流流动及换热研究32-39
• 3.2.1 平行平板细通道选取说明32-33
• 3.2.2 流动特性分析33-34
• 3.2.3 换热特性分析34-39
• 3.3 细圆管通道层流流动及换热研究39-49
• 3.3.1 几何方案选取及计算参数设置39-40
• 3.3.2 流动特性分析40-41
• 3.3.3 换热特性分析41-49
• 3.4 小型回热器设计分析49-53
• 3.4.1 换热器变量和g -NTU设计法49-50
• 3.4.2 套管换热器尺寸设计50-53
• 3.5 套管换热器数值模拟分析53-60
• 3.5.1 网格绘制及边界条件设置53-54
• 3.5.2 轴向导热效应对总压损失以及换热效率的影响分析54-56
• 3.5.3 套管换热器有效度影响因素及优化设计56-60
• 3.6 本章小结60-62
• 第四章 间歇式流动及换热研究62-72
• 4.1 间歇式换热初步分析62-65
• 4.1.1 流动简化及边界条件设置62-63
• 4.1.2 重要参数定义及初步理论分析63-65
• 4.2 间歇式换热特性研究65-71
• 4.2.1 间歇式换热两大特性分析65-67
• 4.2.2 影响间歇式换热两大特性的因素分析67-71
• 4.3 本章小结71-72
• 第五章 应用于摆式发动机的回热器强化换热及试验研究72-88
• 5.1 应用于摆式发动机的回热器强化换热理论分析72-81
• 5.1.1 微型管壳式回热器设计72-73
• 5.1.2 微型管壳式回热器数值模拟分析73-77
• 5.1.3 微型管壳式回热器强化换热分析77-81
• 5.2 微型回热器试验研究81-87
• 5.2.1 试验平台介绍81-82
• 5.2.2 回热器试验测量方案及试验流程82-84
• 5.2.3 试验结果数据分析84-87
• 5.3 本章小结87-88
• 第六章 总结与展望88-91
• 6.1 总结88-89
• 6.2 展望与建议89-91
• 参考文献91-94
• 致谢94-95
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文95

【参考文献】

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本文编号：588253