大功率太阳能斯特林热机流阻特性及结构优化研究

【摘要】：太阳能斯特林热机是以气体为工质的原动机,同时也是碟式光热太阳能发电系统的核心部件之一,它担负着能量由“热”转换至“电”的重要任务。热机内流阻特性影响其功率性能,研究热机内部工质通过流道的压降与结构设计和运行参数的关系具有重要意义。本文以大功率太阳能双作用斯特林热机为对象,围绕热机工质的流阻特性和数值模拟进行了深入研究。本文通过对大功率太阳能斯特林发动机功率组成情况的讨论,着重分析了对功率有较大影响的热交换器系统、活塞-气缸系统的结构组成,定性分析了其内工质流阻及其流动特性;随后,根据流体动力学理论和斯特林循环原理,分别建立了热交换器中回热器、冷却器及加热器和活塞-气缸系统内流阻损失数学模型,确定了数值模拟所需工况及参数,并基于MATLAB计算环境,以湘电集团25k W斯特林热机为实例,对其内部工质流阻情况进行了深入分析,得到了各参数与压力降变化间的规律关系;最后,针对影响斯特林热机流阻特性的活塞与回热器两个关键结构,以效率最优为目标,对回热器和活塞结构进行了参数优化。研究结果表明:25k W斯特林机热交换器中,回热器、冷却器和加热器功率损失分别占总功率损失的5.65%、19%和5.15%;回热器内流阻损失随丝网目数增大而增大,随丝网孔隙率增大而减小,且小长径比结构回热器有利于减小流阻;冷却器和加热器内工质流阻与管长呈正相关趋势,但受管长变化影响并不明显,而这种损失随管径的增加而减小,且管径越小流阻损的增幅越明显;热机工作时,活塞密封环处两端压差与流过其流量呈二次曲线关系;而静态时,流量与压差呈线性关系,当采用更大泄露面积与减半环形间隙宽度时,密封时间分别是基准值的8.39%和111%;优化后,当泄露面积2mm05.0,环间体积为3mm5592,间隙宽度为mm181.0,间隙长度mm80时,热损值相比此前下降2.14%,而流阻值增加87.21%,当回热器基体长度在cm55.3,直径是cm68.6,其孔隙率0.688时,流阻下降了22%左右。 【关键词】：双作用斯特林机 流阻损失 数值分析 结构参数优化
【学位授予单位】：湖南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 研究意义与背景10-13
• 1.2 国内外发展与研究现状13-15
• 1.2.1 国外研究现状13-14
• 1.2.2 国内研究现状14-15
• 1.3 本文主要研究内容15-16
• 第二章 斯特林热机结构特征及流阻特性16-25
• 2.1 热机功率组成及流阻损失定性分析16-18
• 2.2 热机主要部件结构及工作原理18-22
• 2.2.1 热交换器系统结构及基本工作原理18-20
• 2.2.2 活塞气缸结构及工作原理20-22
• 2.3 工质流动特性及其阻力分析22-23
• 2.4 本章小结23-25
• 第三章 斯特林热机各主要部件工质流阻数学模型构建25-43
• 3.1 热交换器系统流阻损失模型25-35
• 3.1.1 加热器与冷却器流阻损失及计算模型25-31
• 3.1.2 回热器流阻损失及计算模型31-33
• 3.1.3 热机循环参数的确定33-35
• 3.2 活塞-气缸系统工质流阻模型构建35-41
• 3.2.1 活塞密封结构流阻的定性分析35-36
• 3.2.2 活塞密封流阻数学模型36-40
• 3.2.3 活塞环环间温度的近似确定40-41
• 3.3 本章小结41-43
• 第四章 斯特林热机各部件流阻损失数值分析43-60
• 4.1 数值分析软件简介43-44
• 4.2 热交换器系统动态流阻数值分析44-53
• 4.2.1 热机及热交换器结构与性能参数设定44-46
• 4.2.2 加热器与冷却器的动态流阻特性46-49
• 4.2.3 回热器的动态流阻特性49-53
• 4.3 活塞-气缸结构流阻数值分析53-59
• 4.3.1 计算结构参数及计算流程设定53-54
• 4.3.2 静态下活塞密封结构流阻变化特性54-56
• 4.3.3 动态下活塞密封结构流阻变化特性56-59
• 4.4 本章小结59-60
• 第五章 基于效率最优的热机结构参数优化60-69
• 5.1 流阻损耗与优化目标分析60
• 5.2 活塞结构参数优化设计60-65
• 5.2.1 优化参数及目标选择60-61
• 5.2.2 优化方法及结果分析61-65
• 5.3 回热器结构参数优化65-68
• 5.3.1 目标函数及约束条件65-67
• 5.3.2 优化结果分析67-68
• 5.4 本章小结68-69
• 第六章 结论与展望69-71
• 6.1 全文结论69-70
• 6.2 研究展望70-71
• 参考文献71-74
• 致谢74-75
• 附录A：攻读学位期间参研项目和发表论文目录75

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