簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 黃鈺綾
Huang, Yu-Ling
論文名稱: 史特靈引擎內部熱流場之數值模擬
Numerical Simulation of Thermal and Flow Fields inside Stirling Engines
指導教授: 鄭金祥
Cheng, Chin-Hsiang
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 航空太空工程學系
Department of Aeronautics & Astronautics
論文出版年: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 136
中文關鍵詞: α型史特靈引擎數值模擬引擎性能量測最佳相位角
外文關鍵詞: Stirling engine, Numerical simulation, Engine performance, Phase angle
相關次數: 點閱:110下載:7
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報
  • 本研究目的為進行α型史特靈引擎內部熱流場之數值模擬分析。本研究建構完成三維可動邊界問題之電腦模擬模組,求解氣缸內之熱流場分佈,探討α型史特靈引擎之填充壓力、加熱端溫度、相位角、運轉速度、再生通道等參數對其輸出性能之影響。研究發現填充壓力越高,史特靈引擎輸出功率越大。另外,史特靈循環之熱效率與輸入熱量隨加熱端溫度提高而增加,若有良好的加熱設計,可在低加熱端溫度下仍可得高功率輸出。亦求解出在不同的轉速下的引擎輸出功率,並與實驗量測比較數據相符。接著進行相位角之探討,因最佳相位角會隨操作參數與幾何改變而不同,因此本研究探討當填充高壓、引擎汽缸直徑、加熱溫度與體積比改變時,對其最佳相位角之選擇與引擎性能之影響。
    最後並將熱流場之數值模擬分析結果與現有熱力循環理論模式比較,以探討熱力循環理論模式之正確性。

    The thermofluidic module based on the frame of a computational fluid dynamics package is constructed for three-dimensional and transient numerical simulation of the thermofluid field inside an α-type Stirling engine. A parametric study of the effects of gas pressure, heating temperature, and rotation speed on the performance of an α-type Stirling engine is carried out. It is found that the output power of the Stirling engine increases with these parameters. Meanwhile, the numerical simulation of the engine power output as a function of the rotational speed is completed, and a close agreement between the numerical predictions and the experiments has been observed. The optimal phase angle for the developed α-type Stirling engine is also obtained. However, the optimal phase angle and engine performance are dependent on charged pressure, cylinder diameter, heating temperature, and volume ratio. In addition, a comparision between the present thermofluidic module and existing thermodynamic model is attempted to verify the feasibility of the latter.

    目錄 中文摘要 iii ABSTRACT iv 誌謝 vi 目錄 vii 符號引索 xv 第一章 序論 1 1-1 研究背景與目的 1 1-2 史特靈引擎的發展史 1 1-3 史特靈引擎的分類 3 1-4 史特靈引擎的優點 4 1-5 史特靈引擎的應用 5 第二章 數值模擬方法 6 2-1 軟體介紹及基本假設 6 2-1-1 模擬軟體介紹 6 2-1-2 基本假設 7 2-2 統御方程式 7 2-2-1 質量守恆方程式 7 2-2-2 動量守恆方程式 8 2-2-3 能量守恆方程式 10 2-3 求解方法設定 11 2-3-1 紊流方程式 11 2-3-2 壓力速度耦合方法 13 2-3-3 離散格式 16 第三章 數值模擬結果 21 3-1 性能分析 21 3-1-1 填充壓力 21 3-1-2 運轉速度 23 3-1-3 加熱溫度 24 3-1-4 相位角 24 3-2 最佳相位角分析 26 3-2-1 填充質量 27 3-2-2 汽缸缸徑 27 3-2-3 加熱溫度 28 3-2-4 體積比 28 3-3 再生通道分析 29 3-4 各參數對熱阻之影響 30 3-5 內部熱流場觀測 31 3-5-1 速度分布 32 3-5-2 溫度分布 32 3-5-3 壓力分布 33 第四章 實驗量測與數據驗證 35 4-1 實驗器材與量測方法 35 4-2 實驗與模擬結果比較 39 第五章 熱力循環理論模式 41 5-1 熱力循環理論模式 42 5-2 淨輸出功與淨熱傳量 45 5-3 熱力循環理論驗證 46 第六章 結論與未來研究建議 48 參考文獻 50 表目錄 表 3-1引擎性能分析之各測試例參數設定表 54 表 3-2引擎性能分析之各測試例起始條件設定表 56 表 3-3引擎相位角分析之各測試例參數設定表 58 表 3-4引擎相位角分析之各測試例起始條件設定表 62 表 3-5再生通道分析之各測試參數設定表 66 表 3-6再生通道分析之各測試例起始條件設定表 67 表 4-1實驗對照組之各測試例參數設定表 68 表 4-2實驗對照組之各測試例起始條件設定表 70 圖目錄 圖 1-1不同Type之史特靈引擎 72 圖 2-1模擬架構示意圖 73 圖 2-2PISO演算法流程圖 74 圖 2-3計算格點示意圖 75 圖 3-1史特靈引擎實體 76 圖 3-2主要零件圖示意圖 77 圖 3-3史特靈引擎內部熱流場模型 78 圖 3-4不同填充壓力下膨脹室內熱傳量隨時間變化圖 79 圖 3-5不同壓力下膨脹室內平均溫度隨時間變化圖 80 圖 3-6不同壓力下壓縮室內平均溫度隨時間變化圖 81 圖 3-7不同壓力下膨脹室內對流熱傳係數隨時間變化圖 82 圖 3-8不同壓力下之P-V圖 83 圖 3-9輸出功與功率隨填充壓力之變化圖 84 圖 3-10不同轉速下總體積隨時間變化圖 85 圖 3-11不同轉速下膨脹室內熱傳量隨時間變化圖 86 圖 3-12不同轉速下之P-V圖 87 圖 3-13輸出功與功率隨轉速之變化圖 88 圖 3-14不同溫度下膨脹室內熱傳量隨時間變化圖 89 圖 3-15不同溫度下膨脹室內平均溫度隨時間變化圖 90 圖 3-16不同溫度下膨脹室內平均壓力隨時間之變化圖 91 圖 3-17不同溫度下之P-V圖 92 圖 3-18輸出功與功率隨加熱溫度之變化圖 93 圖 3-19case14與case16活塞位移隨時間變化圖 94 圖 3-20不同相位角下總體積隨時間變化圖 95 圖 3-21不同相位角下膨脹室內壓力隨時間變化圖 96 圖 3-22不同相位角下膨脹室內熱傳量隨時間變化圖 97 圖 3-23不同相位角下之P-V圖 98 圖 3-24輸出功與功率隨相位角之變化圖 99 圖 3-25不同填充壓力下之P-V圖 100 圖 3-26不同填充壓力下輸出功率隨相位角之變化圖 101 圖 3-27不同汽缸體積下之P-V圖 102 圖 3-28不同汽缸體積下輸出功率隨相位角之變化圖 103 圖 3-29不同加熱溫度下之P-V圖 104 圖 3-30不同加熱溫度下輸出功率隨相位角之變化圖 105 圖 3-31不同體積比下之P-V圖 106 圖 3-32不同體積比下輸出功率隨相位角之變化圖 107 圖 3-33再生通道分析模型 108 圖 3-34輸出功率隨再生通道直徑之變化圖 109 圖 3-35對流熱阻隨填充壓力之變化圖 110 圖 3-36對流熱阻隨加熱溫度之變化圖 111 圖 3-37對流熱阻隨相位角之變化圖 112 圖 3-38填充1大氣壓下一週期內之流場密度分佈情形 113 圖 3-39填充4大氣壓下一週期內之流場速度分佈情形 114 圖 3-40填充7大氣壓下一週期內之流場速度分佈情形 115 圖 3-41直徑7公分汽缸一週期內之溫度場分佈情形 116 圖 3-42直徑5公分汽缸一週期內之溫度場分佈情形 117 圖 3-43直徑3公分汽缸一週期內之溫度場分佈情形 118 圖 3-44加熱溫度800 K下一週期內之壓力場分佈情形 119 圖 3-45加熱溫度1000 K下一週期內之壓力場分佈情形 120 圖 3-46加熱溫度1100 K下一週期內之壓力場分佈情形 121 圖 4-1加熱與動力量測系統實體圖 122 圖 4-2 FIBROTHAL陶瓷纖維電熱組件 123 圖 4-3 K-type熱電耦 124 圖 4-4 PID溫度控制箱 125 圖 4-5扭力計 126 圖 4-6扭力與運轉速度顯示器 127 圖 4-7磁滯煞車器 128 圖 4-8磁滯煞車控制器 129 圖 4-9 Data logger 130 圖 4-10負功定義區域圖 131 圖 4-11模擬與實驗數據之比較圖 132 圖 5-1 α型史特靈引擎相關尺寸圖 133 圖 5-2位移與時間變化關係比較圖 134 圖 5-3不同相位角下熱力循環理論模式與模擬結果比較圖 135 圖 5-4不同加熱溫度下熱力循環理論模式與模擬結果比較圖 136

    [1] G.Walker, Stirling-Cycle Machines, Clarendon Press. Oxford, University of Calgary, Canada, 1973.
    [2] C.M. Hargreaves, The Philips Stirling Engine, Elsevier, New York, 1991.
    [3] G. Walker. “An Optimization of the Principal Design Parameters of Stirling Cycle Machines,” Journal of Mechanical Engineering Science,” Vol. 4, pp.226-240, 1962.
    [4] D. Berchowitz, I. Urieli. Stirling Cycle Engine Analysis, Taylor and Francis 1 Edition, 1984.
    [5] C.H. Cheng, Y.J. Yu, “Numerical Model for Predicting Thermodynamic Cycle and Thermal Efficiency of a Beta-type Stirling Engine with Rhombic-Drive Mechanism,” Renewable Energy, Vol.35, pp. 2590-2601, 2010.
    [6] C.H. Cheng, Y.J. Yu, “Dynamic Simulation of a Beta-Type Stirling Engine with Cam-Drive Mechanism via the Combination of the Thermodynamic and Dynamic Models,” Renewable Energy, Vol.36, pp.714-725, 2010.
    [7] 俞盈如,結合熱力模式與動力模式之史特靈動態模擬,成功大學航空太空工程學系碩士論文,台南,民國99年。
    [8] Chin-Hsiang Cheng, Keong Lam, Yu-Ling Huang, “Numerical Predictions of Thermodynamic Cycle and Thermal Efficiency of Alpha-Type Stirling Engine,” AASRC Conference, Taoyuan, 2010.
    [9] K. Mahkamov, “An axisymmetric computational fluid dynamics approach to the analysis of the working process of a solar Stirling engine. ” ASME J. Sol. Energy Eng, Vol. 128, pp.45-53, 2006.
    [10] K. Mahkamov, “Design Improvements to a Biomass Stirling Engine UsingMathematical Analysis and 3D CFD Modeling ” ASME J. Sol. Energy Eng, Vol. 128, pp.203-215, 2006.
    [11] D.W. Kirkley. “Determination of the Optimum Configuration for a Stirling Engine,” Journal of Mechanical Engineering Science, Vol. 4, pp.203-212, 1962.
    [12] 楊燿禎,小型史特靈發電機之設計及性能測試,成功大學航空太空工程學系碩士論文,台南,民國98年。
    [13] 美國SES 公司,太陽能碟型集熱史特靈發電系統,http://www.stirlingenergy.com/
    [14] W.P. Jones and B.E. Launder, “The Prediction of Laminarization with a Two-equation Model of Turbulence,” Int. J. Heat and Mass Transfer, Vol.15, pp.301-314, 1972.
    [15] R.I. Issa. “Solution of the Implicitly Discretised Fluid Flow Equations by Operator-splitting.J.comput.Phys, Vol.62, pp.40-65, 1986.
    [16] S.V. Patankar. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Hemisphere Pub. Corp., 1980.
    [17] 劉智豪,整合熱流與機構動態分析之電腦輔助軟體於史特靈引擎分析設計,大同大學機械工程研究所碩士論文,台北,民國92年。
    [18] 施長江,史特靈引擎菱形驅動結構之機構設計與熱流分析,大同大學機械工程研究所碩士論文,台北,民國93年。.
    [19] D.G. Thombare, S.K. Verma. “Technological Development in the Stirling Cycle Engines.” Renewable and Sustainable Energy Reviews Vol.12 pp.1-38, 2008.
    [20] B. Kongtragool, S. Wongwises. “Thermodynamic Analysis of a Stirling Engine Including Dead Volumes of Hot Space, Cold Space and Regenerator,” Renewable Energy, Vol. 31, pp.345-359, 2006.
    [21] J. R. Senft. “Mechanical Efficiency of Kinematic Heat Engines,” Journal of the Franklin Institute, Vol. 324, pp. 273-290, 1987.
    [22] 鄭金祥、楊翰勳,史特靈引擎運轉速度與軸輸出功之理論分析,第17屆全國計算流體力學研討會會議論文,桃園,民國99年。

    下載圖示 校內:2013-08-23公開
    校外:2013-08-23公開
    QR CODE