华中科技大学硕士研究毕业论文

分类号学号M201270990学校代码10487密级硕士学位论文型自由活塞式斯特林装置的CFD模拟与实验研究学位申请人何贤学科专业制冷及低温工程指导教师胡兴华讲师答辩日期2015年5月21日ATHESISSUBMITTEDINPARTIALFULFILLMENTOFTHEREQUIREMENTSFORTHEDEGREEFORTHEMASTEROFENGINEERINGCFDNUMERICALSIMULATIONANDEXPERIMENTALRESEARCHOFTYPEFREEPISTIONSTIRLINGDEVICECANDIDATEHEXIANMAJORREFRIGERATIONCRYOGENICSENGINEERINGSUPERVISORHUXINGHUAHUAZHONGUNIVERSITYOFSCIENCETECHNOLOGYWUHANHUBEI430074,PRCHINAMAY,2015独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名日期年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在年解密后适用本授权书。不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名指导教师签名日期年月日日期年月日本论文属于华中科技大学硕士学位论文I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，流道非连续区域存在涡流耗散；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。关键词自由活塞式斯特林装置，回热器，CFD模拟，动网格技术华中科技大学硕士学位论文IIABSTRACTASTHECONSCIOUSNESSOFENERGYSHORTAGEANDENVIRONMENTALPROTECTIONSTRENGTHENED，FREEPISTONSTIRLINGDEVICEHASBEENPAIDGREATATTENTIONFORITSHIGHEFFICIENCY,LONGLIFE,LOWPOLLUTION,SIMPLESTRUCTUREANDASERIESOFADVANTAGESFREEPISTONSTIRLINGENGINEHASAVARIETYOFFUELADAPTABILITY,ADOPTSFLEXIBLEPLATESPRINGSUPPORTINGTECHNOLOGY,HASBEENWIDELYUSEDINAEROSPACE,SOLARENERGYANDBIOMASSANDOTHERFIELDSFREEPISTONSTIRLINGCRYCOOLERCANREACHAWIDERANGEOFLOWTEMPERATUREWITHSINGLESTAGE,ADOPTSLINEARMOTORTECHNOLOGY,ANDISWIDELYUSEDINTHEINFRAREDTECHNOLOGY,SPACEOBSERVATION,LOWTEMPERATUREBIOLOGICALANDOTHERFIELDSTWODIMENSIONOFFREEPISTONSTIRLINGDEVICEHASBEENSIMULATEDBYFLUENTSOFTWAREINTHISTHESIS,ANDTHEFOLLOWINGSEVERALASPECTSHAVEBEENDISCUSSED1AFREEPISTONSTIRLINGENGINE,WHICHHASBEENRESEARCHING,HASBEENSIMPLIFIEDTOTWODIMENSIONALMODEL,ANDSIMULATEDASAENGINEANDREFRIGERATORRESPECTIVELYBYUSINGDYNAMICGRIDTECHNOLOGYANDUDFFUNCTIONINFLUENTTHERESULTSSHOWTHATTHEDISTRIBUTIONOFDENSITYISUNIFORMINEXPANSIONROOMANDCOMPRESSIONROOMFORBOTHCRYCOOLERANDENGINE,EDDYDISSIPATIONHAPPENSINTHEFLOWPASSOFDISCONTINUOUSREGIONSREGENERATORISTHEMAINCOMPONENTOFPRESSUREDROP,ANDPRESENTSSEVERALCOMPLEXCHARACTERISTICSOFFLOWANDHEATTRANSFER,ANDTHEDISTRIBUTIONOFPRESSUREINAOSCILLATINGPERIODISNONMONOTONICALONGTHEAXIALDIRECTIONOTHERWISE,THEINDICATORDIAGRAMOFEXPANSIONROOMANDCOMPRESSIONROOMANDOUTPUTWORKHAVEBEENOBTAINED2ACCORDINGTOTHEPARAMETERSENSITIVITYANALYSIS,THEEFFECTOFTHEINFLATIONPRESSURE,VIBRATIONFREQUENCY,PHASEDIFFERENCE,THETEMPERATUREOFHOTEND,POROSITYANDREGENERATORPARAMETERSTOPERFORMANCEOFWHOLEMACHINEHAVEBEENANALYSISED,WHENTHESEPARAMETERSCHANGE,THETENDENCYOFPRESSUREAMPLITUDEOFHOTANDCOLDROOM,PRESSUREDROPONBOTHENDSOFTHEREGENERATOR,THEPRESSURELOSSRATIO,THEMASSFLOWRATE,TEMPERATUREANDPOWERHASBEENOBTAINED华中科技大学硕士学位论文III3EXPERIMENTALRESEARCHHASBEENDONEONTHEFREEPISTONSTIRLINGDEVICE,THEEXPERIMENTMAINLYMONITORSTHEPRESSUREVARIETYOFHOTANDCOLDROOM,ACCELERATIONVARIETY,AFTERDEALINGWITHTHEEXPERIMENTALDATA，THEVARIABLECONDITIONCHARACTERISTICOFTHEENGINEANDTHEREFRIGERATORHASBEENANALYZEDTHENANOPERATINGCONDITIONHASBEENSELECTED,ANDTHEEXPERIMENTALDATAANDSIMULATIONDATAHASBEENCOMPARED,THEANALYSISSHOWSTHATTHEERRORISLESSTHAN15KEYWORDSFREEPISTONSTIRLINGDEVICE,REGENERATOR,CFDSIMULATION,DYNAMICGRIDTECHNOLOGY华中科技大学硕士学位论文IV目录摘要IABSTRACTII1绪论111研究背景及意义112斯特林装置发展现状及结构213斯特林装置的关键技术1114本文主要研究内容142FPSE的CFD二维整机模拟1621FPSE的发展简介1722FPSE模拟的数学模型1823FPSE的几何模型及模拟参数参数设置2124模拟结果分析2525参数敏感性分析3226本章小结393FPSC的CFD二维整机模拟4131FPSC的发展简介4232几何模型及数学模型4333模拟结果分析44华中科技大学硕士学位论文V34参数敏感性分析4835本章小结534斯特林装置的实验研究5441国内外实验研究现状5442FPSE的实验研究5643FPSC的实验研究6144本章小结655全文总结与展望6751全文总结6752研究展望68致谢69参考文献70附录1作者攻读硕士学位期间发表的论文75附录2硕士期间参与的项目76华中科技大学硕士学位论文11绪论11研究背景及意义斯特林装置采用斯特林循环作为其工作原理。按循环方向的不同，斯特林装置可用于发动机、制冷机和热泵。在能源短缺现象日益严峻的大背景下，斯特林装置因工作效率高、运转特性好、结构简单、易损部件少等优点而受到国内外科研机构的广泛重视1。型斯特林装置的结构形式较为新颖、独特，亦称为自由活塞式斯特林装置，它采用了板弹簧支撑、高效回热器、间隙密封等先进技术，与传统的斯特林装置相比，它还具有重量轻、无油、工作可靠性高等优势，因此，它的出现使斯特林装置得到了快速的发展2。斯特林装置采用封闭式的循环系统，它内部密封的工质流动与普通流体的流动不同，它是一种可压缩的、周期性变化的、不定常的振荡流，它的流动特性是斯特林装置内部最基本的技术参数，但并没有被深刻的认识，尽管如此，相关学者没有将问题的焦点放在这种微观流动机理的研究上，而是采用更多的方法来分析斯特林装置的整机性能。这些分析方法主要有早期用于斯特林装置初步设计及优化的零级分析法，以斯密特等温分析法为代表的一级分析法，以绝热分析为代表的二级分析法，由FINKELSTEIN提出的节点分析法，及目前基于CFD软件的四级分析法3。显然，基于CFD的四级分析法将成为斯特林装置在整机设计、性能优化、流动换热特性研究等方面快速而有力的工具。回热器是斯特林装置中的核心部件，是研究的难点之一，它的工作效率对整机性能有着重要影响。早期对回热器的研究基本上都将其视为单向流，实际上，斯特林装置中的回热器是一种工作在振荡流条件下的微尺度多孔介质部件，基于单向流的研究显然是不准确的。在多孔介质理论中，揭示这种微尺度振荡流流动换热特性的实用理论还相当的缺乏，但微尺度的控制方程和边界条件可以通过体积平均法转化成宏观尺度的控制方程和边界条件，这样可以在不失计算精度的前提下掩盖微尺华中科技大学硕士学位论文2度方程的某些细节4。因此，基于体积平均法的多孔介质模型成为分析回热器特性的一大趋势。斯特林装置最有效而准确的研究手段是实验研究。实验研究的目的除了测试斯特林装置的相关性能参数外，还可以在改变充气压力，运行频率等参数的条件下，对发动机的性能进行优化研究。另外，模拟研究的准确性需要实验数据的支撑，实验研究成为了斯特林装置研究中不可缺少的部分。本论文首先以FLUENT软件为平台，对在研的自由活塞式斯特林发动机和制冷机进行了数值模拟研究；其次，从充气压力、工作频率、相位差、加热器温度（冷头温度）等方面对斯特林发动机和制冷机进行了参数敏感性分析，并借助于基于体积平均法的多孔介质模型，探寻了整机中回热器的性能特点；最后，搭建了斯特林装置的实验平台，利用可获得的实验数据对模拟研究的部分结果进行了实验验证。12斯特林装置发展现状及结构斯特林装置主要包含斯特林发动机和斯特林制冷机两大类。这两类装置都因在各自领域独特的优势而得到了快速发展。本节将分别对斯特林发动机和斯特林制冷机的特点及发展现状进行简要介绍。121斯特林发动机的特点斯特林发动机是一种外部燃烧的封闭式发动机。斯特林发动机是按正向斯特林循环进行工作的，循环过程由等温和等容两个过程组成。相比于传统发动机，它有许多独特优点1，5（1）斯特林发动机拥有独立的外部燃烧系统，它通过加热器向内部的循环工质提供热能，因此，对燃料的品质要求不高，一般热源都可以作为其所用。（2）斯特林发动机的能量转换效率较高，其理论循环的热效率等于相同条件下的卡诺效率，高达到6670。（3）斯特林发动机的压缩比通常小于2，因此斯特林发动机运行时不会像内燃机那样会产生“爆震”现象。华中科技大学硕士学位论文3除此以外，斯特林发动机还具有结构简单，没有进出气阀及燃油喷射器，易损部件少，易于维护等一系列优点。122斯特林制冷机的特点斯特林制冷机的工作循环与斯特林发动机的相反，利用的是逆向斯特林循环。与传统的制冷机相比，斯特林制冷机有以下优势6（1）效率高斯特林制冷机的理论效率等于逆向卡诺循环的效率；（2）“绿色”制冷剂斯特林制冷机一般使用对臭氧层无破坏的氦气作为制冷剂工质；（3）制冷温区广理论上斯特林制冷机的最低制冷温度可以达到10K以下，单级制冷温度就可以达到150以下。此外，斯特林制冷机因其结构紧凑、振动小、温度易于控制、寿命长等优点，现已被广泛的应用于低温超导、空间技术和红外技术等领域。123斯特林发动机发展现状1816年，罗伯特斯特林发明了闭式循环的斯特林发动机，并将其用于采石场上泵水。此后六十多年里，斯特林发动机得到了较快的发展，并在不同领域得到了应用。1916年，最后一台老式斯特林机的出厂标志着斯特林发动机的发展暂告拉下帷幕1,2。1959年，菲利普公司设计了一台198型热气机，单缸菱形传动，用氢气作为工质，压力为20MPA时，功率达到184KW，转速为1200转/分时，效率为32。接下来的几年时间里，菲利普公司陆续研制成功了体积更小、重量更轻的机型，主要有465DA，4215DA和41385DA5。1972年，福特汽车公司取代通用发动机公司，与菲利普公司签订了共同发展小轿车斯特林发动机的合同。1978年，美国机械技术公司取代了福特汽车公司，在能源部的资助下，与瑞典联合热气机公司合作，继续发展车用热气机，并且制造了ASEMODEI型车用斯特林发动机。瑞典联合热气机公司在这一时间段也研制了U4P95华中科技大学硕士学位论文4和U4P275型双作用式热气机5。近几十年来，相关学者总结在前人工作经验的基础上，对斯特林发动机的循环研究工作进行了充分的发展。根据MARTINI7的命名方法，斯特林循环分析法大体上可以分为零级到四级五大类。相对于低阶分析法，四级分析法计算更加精确，空间辨识度高，但计算往往都很复杂，需要利用商业化的CFD软件。目前，能够模拟斯特林发动机的多维CFD软件主要有8CAST，CFDCAE，FLUENT，STARCD和CFX，见表11所示，从他们的比较中可以看出，对斯特林发动机进行模拟时，除回热器之外，其它部件的模拟基本上已经非常的精确了。四级CFD分析法的早期研究见于2000年MAKHKAMOV等人9的工作，为了得到1KW斯特林发动机内部的场分布特性（温度、压力、速度），他们建立了其二维轴对称CFD模型，最后还计算了PV功。此后，国内外许多学者相继使用不同的多维CFD软件对斯特林发动机各部件或整机进行了模拟。ZHANGZHIGUO等10对55W的STC斯特林发动机进行了二维模拟，给出了膨胀腔与压缩腔的示功图，模拟结果与SAGE软件模拟结果吻合较好。KMAHKHAMOV等11为了诊断其在研斯特林发动机效率偏低的原因，对其进行了三维模拟研究，研究表明回热器中液体流动阻力损失和加热腔与冷却腔之间的连接管道增加的死容积是造成效率低下的主要原因，并且提出了一些提升原机型效率的建议。MOUNIRBIBRAHIM等人12用CFDACE商业软件对一款自由活塞式斯特林发动机进行了二维模拟，模拟结果与可获得的实验数据及理论分析结果吻合较好。NASA的WILSONSD等人13对一种对置式斯特林发动机进行了整机模拟研究，将模拟结果与修正后的SAGE模拟结果及TDC两台机器的实验结果进行了对比，并提出了可以通过修正回热器热平衡方程、考虑辐射换热等手段来进一步提升模拟结果精度的建议。华中科技大学硕士学位论文5表11常用的CFD软件软件算法优势劣势CASTSIMPLE能模拟热传导与振荡边界相结合的算例；能模拟斯特林机的各个部件；只能进行二维模拟；不能模拟复杂的几何体及滑移界面；不能对斯特林整机进行模拟；CFDACESIMPLE能对有代表性的斯特林发动机进行二维模拟；在三维并行计算中，支持滑移界面，非结构化网格；同时支持结构化和非结构化网格；回热器中因气体与固体之间进行了热平衡假设使模拟准确性难以确定；FLUENTSIMPLE和PISO对二维的轴对称流动可以使用滑移界面；同时支持结构化和非结构化网格；能进行三维的模拟；回热器中与CFDACE有着相同的缺点；STARCDSIMPLE和PISO支持滑移网格和变形网格；常用于内燃机的燃烧模拟；CFXSIMPLE和PISO使用非机构化网格；使用滑移边界；使用这个软件对斯特林机进行模拟的软件还没有；在国内，四级CFD分析法也得到相关学者的重视。黄军卫等人14运用计算流体力学（CFD）软件FLUENT对斯特林发动机气缸内部的流场进行了模拟，模拟结果表明发动机气缸内流场极其复杂，回热器内温度和速度呈线性分布。华中科技大学的罗羽钊等人15搭建了实验台，测量出动力活塞及配气活塞的运动规律和回热器两端的动态压力变化，然后建立了简化二维模型，将其作为CFD模拟的输入参数，借助于FLUENT软件对一种型制冷机进行了整机数值模拟研究，得到了各个腔室内的场分布特性（温度、速度、压力）。124斯特林制冷机的发展现状华中科技大学硕士学位论文6斯特林制冷机的发展基本上是伴随着斯特林发动机的发展而发展的。1816年，斯特林循环自被发明以来，并没有被运用在制冷方面，直到1834年JHERSHEI使用斯特林循环来制冰，它的这种制冷效应才被大家所认识。约100年以后的1954年，菲利普实验室首次制成了利用斯特林循环的微型低温制冷机，在77K具有580W的制冷量16，在军事和工业应用中，它因结构紧凑等优点很快就彰显出了诱人的潜力，60年代，斯特林制冷技术在军事和航空航天领域，冷却精密仪器中的电子器件等领域得到广泛的应用，其制冷温度一般在120K以下。1975年，FINKELSTEIN17首先提出了节点分析法，为了简化计算，在忽略流体动能的前提下将其用于斯特林制冷机的循环分析。1977年，URIELI18考虑了流体的动能，在FINKELSTEIN的工作上，对斯特林制冷机做了详细的模拟研究工作。洛克希德公司（LOCKHEED）的YUANSWK等人19运用节点分析法对一款分置式斯特林制冷机进行了研究，他们的模型由90个节点组成，大部分的节点分布在温度梯度很大的回热器部分。模拟结果不仅呈现出一些复杂的流动换热特征，还能够输出包括温度、压力、和气体流动速率等这些参数的变化情况，另外，还得到了膨胀腔与压缩腔的PV功。模拟结果与牛津型LUCAS斯特林制冷机的实验数据吻合较好。SINGH等人20假设回热器的回热效率为100，并采用了斯密特的假设，认为压力和体积是正弦变化的，他们建立了一款斯特林制冷机的CFD模型，并且用C语言编写UDF来控制活塞的运动，模拟在斯特林制冷机的冷端为绝热和冷端有一个025W的热负荷两种情况下对模拟结果进行了比较。JHA等人21采用FLUENT和GAMBIT对一款小型斯特林发动机进行了整机数值模拟研究，对于回热器部分采用非热平衡的多孔介质模型，初步证实了FLUENT软件包模拟斯特林制冷机，求解流动控制方程的可行性。在国内，60年代后期，斯特林制冷机的研制才开始萌芽，国内相关单位共同合作仿制了U2飞机上红外相机使用的38K温区的斯特林整体制冷机22；80年代，西安交通大学专门对斯特林制冷机技术开展了大量基础性研究工作，并且制作出了实验样机。80年代中期，浙江大学、中科院上海技术物理研究所及上海理工等科研机华中科技大学硕士学位论文7构投入了大量研究，在制冷机领域取得了很大的进展，并进行了展开了工程样机的研制工作。浙江大学的CAIYACHAO等人23采用商业化软件SAGE对3LY08/194型大功率斯特林制冷机进行了数值模拟，计算结果得到了质量流动速率和压力的变化，声功率和焓流的分布，并揭示了制冷过程中内部能量流动中的耦合关系；回热器的温度分布表明回热器并没有得到充分的利用；模拟结果显示冷头的温度能够达到375K，卡诺效率可达302。从上面可以看出，目前不论是斯特林发动机还是斯特林制冷机，基于CFD的模拟研究方法都是一大趋势，并且进行模拟主要使用的软件是FLUENT，这款软件的适用性非常的广泛，几乎可以模拟所有的流动换热现象。因此本文选择此软件对自主研制的一款自由活塞式斯特林发动机进行模拟研究。125斯特林发动机的主要结构严格来说，斯特林发动机只有双活塞式和配气活塞式两种类型，这两种类型衍生出了双作用式、单作用式和自由活塞式。目前，根据斯特林发动机的构造一般可以分为型、型和型三种。图11所示，分别是三种类型的结构示意图。三种基本类型的差别体现在活塞的布置上，中间串列的三个换热器（加热器，回热器，冷却器）部分基本相同。型机器的两个活塞置于两个不相连的气缸中，热活塞在高温高压工质气体的推动下，对外做工，冷活塞则压缩工质，使工质气体在冷却器中排出热量。机型的两个活塞位于同一个气缸之中，膨胀腔的容积只由配气活塞控制，压缩腔的容积由动力活塞和配气活塞同时控制，这是典型的配气活塞式机型。机型将配气活塞和动力活塞置于不同的气缸中，这增加了死容积，效率较低，但在气缸需要分开的情况下，可以牺牲机器的效率而采用这种类型的机器。双作用式斯特林发动机是目前最有发展前景的机型，如图12所示，是四缸双作用式热气机的布置示意图。每个活塞的上方都是热膨胀腔，下方都是冷压缩腔，相邻两个活塞之间依次串联着三个换热器（加热器、回热器和冷却器）。压缩腔中的活塞即作为压缩活塞，也作为膨胀活塞，膨胀腔中的活塞即作为膨胀活塞也作为压缩活塞，每个活塞都有功的输出也有功的输入，因此这种布置形式的热气机称为双华中科技大学硕士学位论文8作用式热气机。这种四缸布置的双作用机型结构紧凑，功率较大，因此成为目前最有前景的斯特林发动机。图11斯特林发动机的类型图12双作用式斯特林发动机结构布置图126斯特林制冷机的主要结构斯特林制冷机结构类型繁多，目前没有统一的分类方法。目前主要从制冷机的本体结构、驱动方式、支撑方式及活塞的密封形式对其进行分类。如图13所示，是三种不同形式的整体式斯特林制冷机。图13（A）的压缩机和膨胀机由同一个轴连接，当曲柄旋转时，推动活塞直线往复运动，膨胀空间与压缩空间通过细小通道连接，气体工质在活塞的驱动下在整个系统里的各个部件内循环流动。图13（B）中，膨胀腔活塞不再由活塞杆驱动，而是通过压缩腔的气体驱动，这种结构形式有华中科技大学硕士学位论文9效的减弱了整机的振动。图13（C）则直接摒弃了曲柄连杆机构，使用直线电机线性驱动方式，这种结构很好的降低了振动，有效的提高了斯特林制冷机的运行可靠性及使用寿命。（A）旋转压缩机及膨胀机（B）旋转压缩机及气动膨胀（C）线性压缩机及气动膨胀机图13整体式斯特林制冷机传统的斯特林制冷机以上述整体式结构为主，压缩机和排出器由同一旋转电机通过曲柄连杆机构连接驱动，这种结构的工作性能让人们很失望，不仅结构复杂，噪声大，振动剧烈，工质受污染严重，而且运动部件的磨损也在极大程度上影响了制冷机的使用寿命，如图14所示，是早期整体式的结构模型。十九世纪60年代末，菲利普公司针对制冷机的这些劣势，提出了线性谐振压缩机的概念，随后斯特林制冷机设计便采用了这一概念，结合无润滑的间隙密封技术，是制冷机的性能有所改善。华中科技大学硕士学位论文10图14旋转电机驱动的斯特林制冷机二十世纪70年代末，英国牛津大学着手开发星载长寿命斯特林制冷机，如图15所示，是牛津大学的第一代“牛津型”斯特林制冷机结构示意图，采用了柔性板弹簧支撑技术，这种技术的成功应用，使得“牛津型”制冷机在空间长寿命制冷机领域占到了主导地位24。图15第一代“牛津型”斯特林制冷机总的来说，斯特林制冷机在结构上的一系列变革完善了其结构，提供了其性能，使其优势日益凸显。华中科技大学硕士学位论文1113斯特林装置的关键技术斯特林发动机研制的许多关键性技术在发达国家均已获得了突破性进展，但要深刻的认识斯特林发动机内部的振荡流，揭示回热器内部复杂的传热传质机理，进一步提高斯特林发动机的工作效率还有一定的路要走25。斯特林发动机在我国的发展存在的研究难点较多，比如燃烧室的设计，高回热度回热器的设计及制造，密封技术，工作的可靠性及CFD的模拟技术等，都有待进一步的提高。针对国内外的研究现状，斯特林发动机研究的难点主要集中在以下几个方面。131振荡流振荡流与一般流动现象不同，是一种少见的周期性非定常流动。斯特林发动机中流体的流动就是一种有代表性的振荡流，具有可压缩性，其内部的流体工质封闭等特点。振荡流的流动特性是研究斯特林发动机工作性能中最基本的性能参数，但至今并没有被深刻的认识26。目前，对于振荡流的研究，主要有两种方法，实验方法和数值模拟，试验方法是用热线风速仪测量振荡流体不同截面及径向不同位置的速度，从而揭示振荡流的一些流动特性。数值模拟方法是借助于CFD软件对振荡流进行模拟辨识，得到流体的场分布，从而揭示一些流动特性。这两种方法对于研究振荡流都有所进展。RICHARDSON等人27在设计了实验装置，测量管内振荡流动速度分布，发现了“速度环效应”，即流动截面速度分布中速度峰值出现在靠近壁面区域，而在单向流中该峰值不出现。ZHAOTS等人28则通过对振荡流质量守恒、动量守恒和能量守恒的数值求解，发现不仅在流速分布上存在速度环效应，在高动力雷诺数下，管子的进出口处气体温度分布也存在相似的规律。HINO等人29通过单根热线测量了直管内振荡流速度，发现类似层流出现在加速段，而类似湍流出现在减速段，随着REMAX的增加，湍流流动进入循环周期的加速段，这一结论与OHMI等人30的测量结果一致。在国内，周天学等人31采用动网格模拟技术，结合实验测量，研究了不同RE数下斯特林发动机管内流体的振荡流动特性，RE数变化的情况下，利用热线风速仪华中科技大学硕士学位论文12测量了管内的瞬时速度，验证了截面速度的“环状效应”，实验结果和数值结果的对比研究表明，动网格技术对具有较高的适用性和准确性。唐文涛等人32利用数值模拟方法做了热线风速仪在定常流动中标定工作，并应用它测量交变流的速度，不同交变流动工况下，分析了速度真值与测量值的误差，并提出定量评价指标可信度。132回热器回热器作为斯特林发动机中的核心部件，其工作环境相当恶劣，回热器工作在高温高压条件下，其热负荷大，温度变化率高。不同的材质的回热器的对整机的效率影响很大。RAMLAGHEITH等人33以型斯特林发动机为载体，对四种不同材料（不锈钢，铜，铝，镍铜合金400）的回热器进行了研究，研究结果表明不锈钢和镍铜合金400比较适合作为回热器材料，铜容易被氧化并且容易导热系数较大，所以一般不推荐作为回热器的材料，铝的熔点较低，在温度稍高的工况下就容易融化。对回热器内部流动特性的研究经历了从单向流到振荡流的发展历程。MIYABE等人34在单向流条件下，对一款金属丝网回热器进行了实验研究，并得到了摩擦因子与雷诺数及摩擦因子与压力降之间的关系式。SEUME和SIMON35则进一步对单向流条件下得到的摩擦系数关系式进行了回顾，另外，他们也初步研究了压缩性的影响及斯特林发动机振荡流的特性。实际上，回热器是工作在双向振荡流条件下的，在单向流条件下得到的一些关联式与实际现象是有所偏离的，一些学者开始研究振荡流条件下的摩擦因子关系式。JUYONGLIN等人36建立了一种研究回热器中振荡流特性的实验装置，回热器中流体的往复运动是靠自主设计的一款直线电机驱动的。实验获得了运行频率为50HZ时，回热器的压力降和相移特性，最大摩擦系数和平均摩擦系数与雷诺数和无量纲长度X的关系式。实验发现，振荡流中平均压力降的值比同条件下的单向流高23倍，另外，还讨论了速度与压力波之间的相移关系。SUNGRYELCHOI等人37则提出了一种研究回热器压力降的振荡流模型，压力降的值由压力降的振幅和相对于进口的质量流量的相位来描述。这篇文章中的其它一些华中科技大学硕士学位论文13结果也表明了该振荡流模型能够精确的描述回热器两端压降的幅值与相位。KWANWOONAM等人38提出了一种研究振荡流的新模型，这种模型克服了基于稳态流摩擦因子传统流动模型的不精确性，这种模型基于两个无量纲参数和一个一维控制方程，两个参数分别为振荡流摩擦因子和呼吸因子（BREATHINGFACTOR）。试验以一种屏状回热器为研究对象，获得了这两个性能参数的经验关系式，并且回热器中压力降和质量流量的相位关系能够被呼吸因子很好的预测。YANYANCHEN等人39利用线性热声理论分析了可压缩振荡流的传热特性，对环形管状和平行盘式两种回热器进行了传热分析，并以一种复杂的方式推导了NUSSELT数的详细表达式，NUSSELT数是PRANDTL数，运动雷诺数RE和无量纲数D的函数。近年来，随着CFD模拟技术的发展，很多学者开始尝试使用CFD技术来研究回热器的流动换热特性，但是CFD软件中流动换热的数学模型是基于经典控制方程质量守恒、动量守恒和能量守恒的，对回热器这种微尺度多孔介质振荡流的模拟存在一定的技术难度。微尺度的控制方程和边界条件通过体积平均法能够被转化成宏观尺度的控制方程和边界条件，这样可以在不失精确度的前提下掩盖微尺度控制方程中的某些细节。JEESUNGJEFFCHA40对回热器的CFD模拟研究做了大量的工作，他将回热器当做多孔介质，在单向流和振荡流条件下分别对其进行了模拟，并搭建了试验台对模拟结果进行了验证和校验，给出了一种通过试验对比，来确定回热器多孔介质模型中粘性阻尼系数和惯性阻尼系数的方法。133密封技术氢气和氦气是斯特林发动机常用的工质气体，充气压力一般远高于大气压，工质气体极易泄漏，所以密封技术成为了影响斯特林发动机工作可靠性的一个重要因素。若采用传统的活塞环和活塞管进行密封，不仅要保证工质不从气缸内漏出去，也要保证润滑油不能进入气缸，这两点得到了有效保证，才能使斯特林发动机可靠工作。目前，斯特林发动机密封技术基本已经摒弃了传统的密封方式，现在普遍采用华中科技大学硕士学位论文14的是间隙密封技术，简而言之，间隙密封就是利用需要被密封的零件之间的径向微小间隙，及该间隙在轴向的一定长度来实现的一种密封形式。这种技术有效的减少了接触磨损和因此而产生的污染。如图16所示，是自由活塞式斯特林发动机采用间隙密封技术的示意图，一共有三个地方需要进行间隙密封，分别是配气活塞与钢壁之间，动力活塞与钢壁之间，动力活塞与配气活塞杆之间。由于这种密封采用的是一种非接触密封形式，是通过在被密封的工质中产生压力降来达到密封的目的，因此，它能有效的消除磨损，壁面润滑油对工质气体的污染。图16间隙密封14本文主要研究内容基于CFD软件的模拟研究方法在斯特林装置的设计优化中可以在保证计算精确度的条件下，节省计算成本，缩短设计周期。本文基于FLUENT这一软件，利用动网格技术和UDF函数对在研的型斯特林装置进行了整机数值模拟研究，并进行了参数敏感性研究，重点关注了回热器特性、膨胀腔与压缩腔的PV功及输出功、各个腔室的场分布，参数敏感性研究以充气压力、孔隙率、振动频率及膨胀腔与压缩腔振幅的变化为主。本文主要从以下五个方面对斯特林装置的模拟研究展开工作的第一章为绪论，首先阐述了本课题研究的背景及意义，简要的回顾了斯特林发动机及制冷机的发展现状及结构特点。然后，结合国内外研究现状指出了斯特林装置研究的关键技术。最后，引出了本文研究的重点及拟解决的主要问题。第二章，首先对FPSE的发展进行了简要介绍，并对多孔介质模型做了一维轴向华中科技大学硕士学位论文15简化，得到了粘性阻尼系数和惯性阻尼系数的计算公式。其次，对在研的FPSE进行了二维简化并建立了二维整机模型，并利用FLUENT软件对其进行了求解计算，并从场分布、回热器特性、PV功率几个方面对计算结果进行了分析。最后，从充气压力、孔隙率、频率、相位差几个方面对斯特林发动机模型进行了参数敏感性分析。第三章，首先对FPSC的发展进行了简要介绍。其次，参照第二章对模型进行了降维简化，边界条件设置，利用FLUENT进行求解。然后，对计算结构从场分布，回热器特性及PV功几个方面进行了分析。最后，从频率、孔隙率、相位差几个方面对其进行了参数敏感性分析。第四章，分别对FPSE和FPSC进行了实验研究。首先，本章简要介绍了实验研究的现状；其次，介绍了本文的实验装置及主要实验仪器，分别研究了不同工况下FPSE和FPSC的特性，并阐述了实验结果；最后，将实验数据与模拟数据进行比较分析。第五章，对全文进行总结，也是对本人硕士期间的学习总结，另外，还总结了研究中存在的问题，并对以后工作做出了进一步的展望。华中科技大学硕士学位论文162FPSE的CFD二维整机模拟在各种斯特林发动机中，自由活塞式斯特林发动机（FPSE，FREEPISTONSTIRLINGENGINE）是结构形式较为新颖、应用前景非常可观的一种。FPSE是一种靠往复件的运动来实现热力循环的动力装置，这种运动是由其内部密封的流体和运动部件之间的相互作用而产生的。这种动力装置结构简单、成本低、密封而无泄漏、可自启动、寿命长等优点，这种装置可用于热驱动的热泵、太用能电能转换器、边远地区发电、人工心脏及水泵等领域。目前，斯特林循环分析法被划分为五级，前文已经提及，这里不再赘述。零级分析法至三级分析法都是在一定假设的基础上，将斯特林发动机简化成膨胀腔，加热器，回热器，冷却器，压缩腔五部分来进行分析，但是，这些分析方法都只是初略的估算方法，不能够得到斯特林发动机内部复杂的流动换热规律。四级分析法基于CFD商业化软件，能够有效的呈现斯特林发动机内部流场的流动换热现象，它已成为了斯特林发动机研究的有效工具之一。本章首先对在研的FPSE进行了合理的降维转化，将旋转对称的三维模型转化成为简单的二维模型，利用GAMBIT软件建立了几何模型并划分网格。其次，为了有效的对回热器部分进行模拟，本章利用了基于热平衡的多孔介质模型，并对其做了一维轴向简化，得到了确定粘性阻尼系数和惯性阻尼系数的关系式。然后，利用FLUENT软件对二维整机模型进行了模拟计算，详细的分析了发动机内部的场分布，各种状态参数的走势及回热器特性。最后，从充气压力，孔隙率，相位差，频率，加热器温度及回热器参数六个方面对FPSE进行了参数敏感性分析。本研究可视化的呈现了自由活塞式斯特林发动机中密度分布、压力分布、速度分布及回热器特性，参数敏感性分析部分初步探寻了发动机性能随相关参数的变化趋势，可用于发动机的实际应用及理论指导。华中科技大学硕士学位论文1721FPSE的发展简介上世纪60年代初，美国俄亥俄大学的WILLIAMTBEALE及英国原子能研究所的COOKEYARBOROUGH首先发明了FPSE。然而，直到70年代末，这种形式的发动机才得到人们的重视，一些大公司也纷纷产生了兴趣，如美国通用电气公司和机械技术公司，目前，只有BEALE领导的SUNPOWER公司是世界上唯一将其商品化的公司。1975年，最早的FPSE是由SUNPOWER公司设计的M100，当时是用来驱动线圈移动式直线交流发电机的，这款发动机能在50HZ的运行频率下产生100W的额定功率41。80年代，该公司积极研制各种不同功率的自由活塞直线交流发电机，有100W，1KW和10KW三个种，这些发电机主要应用于可携式发电机，燃煤气发电机和太阳能用发电机42。1996年，SUNPOWER公司的NEILLWLANE和WILLIAMTBEALE43实现了将一款靠燃烧生物质的FPSE用来驱动线性交流发电机的构想，该发电机设计功率为25KW，测试结果显示其效率可以达到28。21世纪初，FPSE在SUNPOWER公司的努力下，基本实现了商业化，目前，应用比较广泛的就是用其来驱动直线发电机，如图21所示，是FPSE典型应用的结构示意图。图21自由活塞式斯特林发动机驱动线性电机从FPSE的发展历程来看，经过约40年的发展，在前期对FPSE的设计中，主是基于热力学分析和动力学分析44,45。随着计算机技术的发展，目前有较多学者使华中科技大学硕士学位论文18用CFD软件对FPSE进行更为精确的模拟研究。本章就是基于FLUENT软件来对一款在研的FPSE进行数值模拟研究的。22FPSE模拟的数学模型计算流体力学（COMPUTATIONALFLUIDDYNAMICS，CFD）是通过计算机对流动换热现象进行数值模拟研究的技术。随着计算机技术的飞速发展，目前的CFD软件几乎可以模拟所有的流动、传热、燃烧等物理现象。本文采用FLUENT软件中的湍流模型模拟回热器以外的部件，而回热器部分则采用多孔介质模型进行模拟，配气活塞和动力活塞的运动则采用动网格技术及UDF（USERDEFINEDFUNCTION）函数进行控制。在进行模拟之前，需要对FPSE的数学模型及物理模型做一些简化与假设（1）FPSE气缸内部工质视为理想气体，遵从理想气体状态方程；（2）在换热器中只考虑流体和固体之间的对流换热，忽略固体与流体之间的辐射换热；（3）对于加热器、冷却器和回热器，由各腔室静态容积得到对应的孔隙率，从而实现三维到二维的降维转化；（4）对于除回热器以外的流场，采用K两方程模型模拟；（5）对于回热器，采用局部热平衡、各向异性多孔介质模型；（6）回热器内为强迫对流换热，忽略多孔介质模型中由重力引起的体积力，及附加体积力。（7）忽略温度梯度引起的质量扩散及溶度梯度引起的热传递问题；（8）加热器、冷却器及回热器外壁面绝热，没有热量的流失。221湍流模型FLUENT软件有较多的湍流模型可用于不同流动现象的模拟。对于FPSE气缸内部的这种非稳态、可压缩振荡流，比较常用的湍流模型为K模型和K模型。本文采用K模型模拟除回热器以外的部分，回热器部分采用多孔介质模型模拟。K模型的控制方程如下华中科技大学硕士学位论文19质量守恒方程0UT动量守恒方程0UUUPGT（能量守恒方程0EKTUUEPT其中，22PUEH23TUUUI式中，为动力粘度，I为二阶张量单位；式（5）第二项为体积膨胀量。222多孔介质模型回热器部分采用多孔介质模型进行模拟，这一模型的控制方程是在（1）（3）的基础上通过合理改进得到的，对于质量方程，在其流体密度项上都乘上一个系数，即孔隙率。动量方程增加了动量损失项TS，TS的组成如下22FFTCCSUUUUUUKK回热器中的能量方程则采用局部热平衡方程4611FSFFSSFFKKTUEEUEPT上式中，K和CF分别为DARCY渗透率和FORCHHEIMER惯性阻力系数；1和C分别为FLUENT中对应的粘性阻力系数和惯性阻力系数。（7）（2）（1）（3）（5）（4）（6）华中科技大学硕士学位论文20223粘性阻尼系数及惯性阻尼系数的确定利用FLUENT中的多孔介质模型对回热器进行模拟时需要设置回热器部分的初始参数粘性阻尼系数，惯性阻尼系数。这两个系数值的大小表征了回热器对流体阻碍作用的强弱，对模拟精确性至关重要。目前，对这两个系数的确定方法主要有两种（1）、在没有实验条件的情况下，一般是将多孔介质模型做一维轴向简化，得到含有阻尼系数，粘性阻尼系数1和惯性阻尼系数C的一维方程，查阅相关文献得到回热器在实验条件下获得的振荡阻尼系数FOSC关于压降的关系式，带入到简化方程中就可以得到粘性阻尼系数和惯性阻尼系数的关系式，当然这种方法确定的值并不是很精确。（2）、在有实验条件的情况下，按照方法（1）确定的值进行计算后，将计算得到的回热器两端压降与实验值进行比较，然后再对粘性阻尼系数和惯性阻尼系数做出适当调整，循环迭代试探，直到模拟计算值与实验值吻合较好。利用第一种方法确定这两个参数的过程如下将多孔介质模型中的动量方程作一维轴向简化为47多孔介质中压降通常可以表示为46联立两式得到式中，为摩擦因子，为丝网水力直径。选用经验公式4822FCPUUX22FFHUFPXD2222FFFHUCFUUDFFHD（8）（9）（10）华中科技大学硕士学位论文21将（11）带入（10）中展开得到粘性阻尼系数和惯性阻尼系数的计算公式为式中，表示回热器的孔隙率，HD为丝网水力直径，由1WHDD计算得出，DW为回热器丝网直径，本文所用回热器的丝网直径为0088MM。如表21所示，是不同孔隙率计算得到的粘性阻尼系数和惯性阻尼系数的值。表21粘性阻尼系数和惯性阻尼系数的值孔隙率丝网水力直径（MM）粘性阻尼系数惯性阻尼系数050088108E1019E3060132578E9153E30650163411E9134E307020528E9115E3075026418E9957080352108E976623FPSE的几何模型及模拟参数参数设置本文中在研的型FPSE的三维模型比较复杂，如果直接建立三维模型不仅难度大，而且计算时间长，占用计算资源比较多，所以鉴于本文中型发动机是旋转对称的，只取其半剖面建立二维模型，主要研究斯特林发动机各腔室的密度分布、压力分布、温度分布、速度分布及回热器特性。231几何模型的简化FLUENT数值模拟对象的三维结构示意图如图22所示，自由活塞式斯特林发动机由加热腔、冷却腔、加热器、回热器、冷却器、动力活塞及配气活塞组成。F3360337REF123362HD0337HCD（11）（12）（13）华中科技大学硕士学位论文22图22自由活塞斯特林发动机结构图建立二维模型时，取的是旋转半剖平面图，加热器与冷却器部分按照如下原则进行处理加热器和冷却器中采用长方形条和小方块填充，使填充的面积