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准稳态斯特林循环模型及能量损失原理研究

日期:2020-10-30 22:10 作者:上海论文网 编辑:若诗 点击次数:58
销售价格:150 论文编号:el2020102807192821002 论文字数:4208 所属栏目:工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是工程论文,针对能量方程,考虑丝网和工质气体的振荡流换热特性,在压缩腔和膨胀腔处耦合基本的能量损失机制,主要包括配气活塞导热损失、穿梭损失、泄漏损失、泵气损失和气流滞后损失。本文的模型在数学本质上就是一个IVP和BVP的组合问题,针对IVP问题采用显式四阶龙格库塔方法进行求解,针对BVP问题上以回热器循环吸热量为零和循环平均压力等于设定的平均压力相等为收敛条件进行迭代求解。

本文是工程论文,斯特林循环分析模型在斯特林发动机的设计、优化方面起着重要的作用,传统的无压力梯度振荡流分析模型无法将振荡流的流动、换热特性以及损失机制耦合到循环内部过程中,导致其无法分析斯特林发动机的内部循环特性、损失影响机理,从而使得系统的设计和优化受限。针对上述问题本文展开了理论和实验研究,具体研究结果如下:1、发展建立了基于振荡流压力梯度、换热特性以及耦合损失机制的改进型多节点准稳态斯特林循环分析模型。对内部工质气体和回热器丝网建立基本的质量、能量和动量守恒的微分方程组,针对动量方程做准稳态假设,并考虑振荡流的流动压降特性。

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1绪论

 

传统的无压力梯度振荡流循环分析方法是目前使用比较广的方法,该类方法将整个斯特林发动机划分为五个节点,分别为压缩腔、冷却器、回热器、加热器和膨胀腔,对每个节点建立质量守恒方程和能量守恒方程并进行求解。通过该类方法可以快速的得到一个工况下的循环输出功和循环热效率,但是该类方法在内部循环计算的过程中并未考虑振荡流的压力梯度,在回热器分析的时候并未考虑回热器气体与回热器丝网对流换热问题,而且相应的损失机制都是在循环之外进行单独计算,因此通过该类方法无法获得斯特林循环的内部特性,比如pV图等信息。而有压力梯度振荡流循环分析方法则是充分考虑振荡流的流动特性和换热特性,在实际的节点划分过程中可以将斯特林发动机划分为任意多个节点,且在每个节点考虑相应的流阻压降情况,在回热器节点考虑回热器气体与回热器丝网的对流换热情况,而且在节点建立能量守恒方程的时候可以将相应的损失机制耦合进去,因此通过有压力梯度振荡流循环分析方法可以获得斯特林循环的内部循环特性,以及分析不同损失对斯特林循环的影响机制,这对斯特林发动机的设计和优化工作将有重大的意义。
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2改进型多节点准稳态循环分析模型

 

2.1基本数学模型
本章主要介绍了改进型准稳态循环分析模型的建模过程,有别于传统的无压力梯度振荡流分析模型,本模型在简单准稳态模型的基础上进行发展,将压力梯度和损失机制直接耦合到斯特林循环的微分方程之中,可以通过该模型来分析斯特林内部的循环特性以及不同损失对循环特性的影响机制。本章充分调研了目前斯特林发动机的损失机制,主要包括导热损失、穿梭损失、泄漏损失、泵气损失、流阻损失、气流滞后损失和截面突变损失。在这些损失中需要注意的是除了导热损失中的回热器缸壁导热损失无法直接耦合到斯特林循环内部过程中,其他的损失都可以直接耦合到斯特林循环之中。其中作为热损的损失是配气活塞导热损失、穿梭损失、泄漏损失、泵气损失、气流滞后损失,这些热损主要是在膨胀腔和压缩腔中起作用,主要影响两个腔室气体的吸放热过程。而流阻损失和截面突变损失主要影响工质气体的压力梯度从而导致一定的功损失。这些损失的具体影响将会在后文详细分析。
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2.2主要损失机制模型
收敛需要满足两个条件,第一个条件是满足周期稳定解条件,第二个条件是模型计算得到的循环平均压力等于设定的平均压力。在模型计算的时候先达到周期稳定解条件,然后在达到循环平均压力等于设定平均压力的条件。先来分析如何达到周期稳定解。因为循环的存在,所以整个模型的求解结果随时间变化必定是一个周期函数,即每个循环开始时各个参数的值等于该循环结束时各个参数的值。因此微分方程组中的压力项、气体质量项、气体温度项、回热器丝网温度项以及回热器的吸热量项必须要遵守周期稳定条件。本文模型的迭代收敛过程中,采用了一种迭代加速的方法。可以利用回热器丝网在一整个循环周期内的吸热量等于放热量这个条件,即循环结束时其累积的热量应该为0,如图2.4所示。

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3模型实验验证与分析...........................................................................................................34
3.1GPU-3机器简介......................................................................................................34
3.2模块和节点划分......................................................................................................35
3.3循环输出功和循环效率分析...............................................................................37
3.4损失分析....................................................................................................................43
4斯特林循环特征指标与损失机制分析...........................................................................52
4.1百瓦级β型斯特林发动机实验装置及方法....................................................52
4.2斯特林循环特征指标.............................................................................................59
4.3实验结果分析...........................................................................................................6
34.4损失影响机制探究..................................................................................................69
4.5本章小结....................................................................................................................77
5总结与展望.............................................................................................................................78

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4斯特林循环特征指标与损失机制分析

 

4.1百瓦级β型斯特林发动机实验装置及方法
本机器的主要用途为实验测试,在使用过程中需要经常性的拆装机器,比如更换内部的回热器丝网或者探头等等。而经常性的拆装操作会影响发动机输出轴等部位的泄漏问题,该泄漏主要是缓冲腔到外界泄漏,而非压缩腔向外界泄漏。缓冲腔内的气体主要是为了维持发动机可以长时间平稳运行,如果缓冲腔内气体泄漏过多会导致机器运动非常不稳定,因而在实验操作过程中将会给发动机的缓冲腔进行相应的补气操作。瞿凡等人[68]对本百瓦级斯特林发动机缓冲腔泄漏特性进行分析,指出发动机在运行的时候缓冲腔气体存在一定的泄漏问题,即缓冲腔内的气体通过输出轴部位泄漏到外界中,因此在长时间的运行过程中,需要给发动机缓冲腔进行相应的补气来保证发动机稳定运行,具体的补气操作则是在缓冲腔外连接一个减压阀和单向阀,气瓶内的气体流过减压阀和单向阀给缓冲腔进行实时的补气。一般机器一旦设计定型进入商业化的阶段可以对发动机输出轴部位采用更好的加工工艺和密封操作从而保证缓冲腔气体不往外界泄漏。

 

4.2斯特林循环特征指标
斯特林循环的热功转换过程比较复杂,绝大部分情况下,冷腔和热腔内同时存有工质气体,冷腔连接冷却器,工质气体不断放热;热腔连接加热器,工质气体不断吸热;冷端放热不一定意味着压缩过程,热端吸热不一定意味着膨胀过程。如果想分析斯特林循环,无法沿用在研究朗肯循环或布雷顿循环时将工质加热过程与放热过程分开讨论的方法,况且斯特林循环的吸热和放热过程中工质的质量流量还是瞬时变化的。因此,分析斯特林循环必须从整体入手,压力p和体积V是斯特林循环过程中可以监测的参数,也是分析斯特林循环热功转换过程的有效手段。与理想绝热循环pV图相比,真实斯特林循环pV图的形状有明显的收缩、偏移和旋转等变化,循环输出功大幅降低。传统的无压力梯度分析模型可以在最终输出功、循环效率等方面来分析预测一台发动机的表征性能,但是其无法分析内部循环特性,通过无压力梯度分析模型得到的输出功并不是等于循环pV输出功,因为一般传统的无压力梯度分析模型将得到的输出功为循环输出功减去滞后功损

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5总结与展望

 

运用本文模型分析并验证了GPU-3斯特林发动机的基本运行特性、损失变化情况,并揭示了其内部循环的流动换热特性。利用本模型对GPU-3的发动机的特定工况和变工况分析,在标况下氦气工质功率预测误差为9.6%,效率预测误差为6.3%;在变工况下氦气和氢气的功率预测的平均误差分别为15.0%和10.4%,效率预测的平均误差为3.8%和6.7%。分析了变转速时的损失变化情况,指出了泄漏、穿梭、泵气和流阻损失为主要损失平均占比达到73.2%。进而对氦气工质和氢气工质的压降变化特性进行了全面的分析,研究表明回热器的流阻占比最大,发现氦气工质的流阻变化比氢气工质的流阻变化更加剧烈,58.33Hz时氦气回热器最大压降为266.7kPa,而氢气工质的回热器最大压降为149.3kPa,对斯特林发动机的瞬态特性分析,发现回热器为整个斯特林发动机中轴向温度梯度变化最大的部件,其一个循环的平均温度呈线性分布,同时揭示了回热器丝网温度和气体温度差存在交替变换的现象。
参考文献(略)
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