Физическая модель тепло- и массообмена во внутреннем контуре двигателя Стирлинга схемы "альфа"

• Автор: Абакшин, Антон Юрьевич
• Шифр специальности: 05.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 146 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА I. ИСТОРИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ НАУЧНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ СТИРЛИНГА
11. Начальный этап развития теории ДС
1.2. Работы в области теории ДС XIX - начала XX веков. Теория Шмидта. Модели работы регенератора
1.3. Работы в области теории ДС во второй половине XX века. Теория Финкельштейна. Узловые методы расчёта
1.4. Состояние работ в области теории ДС в настоящее время
ГЛАВА И. ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА ВО ВНУТРЕННЕМ КОНТУРЕ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА
2.1 Общая характеристика рассматриваемого двигателя
2.2 Основные элементы расчетной модели внутреннего контура ДС
2.2.1. Основные соотношения, использовавшиеся при численном моделировании
2.2.2. Дополнительные соотношения, примененные в расчетной модели
2.3. Особенности применяемых в модели методов дискретизации расчетной области по времени и пространству
2.4. Предварительные расчеты элементов внутреннего контура ДС
2.4.1. Предварительный расчет течения рабочего тела в области с изменяемой геометрией
2.4.2. Предварительный расчет течения рабочего тела в области с изменяемой геометрией, содержащий регенератор
ГЛАВА III. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА ВО ВНУТРЕННЕМ КОНТУРЕ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА.
3.1. Граничные условия. Начальные значения параметров. Расчетная сетка
3.2. Результаты численного расчета. Выводы
3.3. Оценка достоверности и адекватности результатов численного эксперимента
3.4. Расчет интегральных характеристик рабочего цикла. Численное определение скоростных характеристик ДС
3.5. Численное исследование влияния типа набивки регенератора на скоростные характеристики ДС
ГЛАВА IV - ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА ВО ВНУТРЕННЕМ КОНТУРЕ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА
4.1. Индицирование двигателя Стирлинга
4.1.1. Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента..
4.1.2. Результаты эксперимента и методика их обработки
4.2. Экспериментальное исследование гидравлических и теплофизических свойств компонентов внутреннего контура ДС
4.2.1. Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента
4.2.2. Результаты эксперимента. Обработка результатов. Выводы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время растет интерес потребителей и производителей к различным эффективным преобразователям энергии и, в частности, к двигателям с внешним подводом теплоты (ДВПТ), что подтверждает необходимость проведения дальнейших работ по их исследованию и проектированию.
Преимущества двигателей с внешним подводом теплоты, в частности - двигателей Стирлинга (ДС), а также ряд нерешенных проблем, связанных с анализом работы двигателей этого типа и применением их в новых областях человеческой деятельности, говорят об актуальности исследований в этой области на современном уровне.
Характеристики ДС во многом определяются процессами тепло- и массоб-мена в его внутреннем контуре. В настоящее время при исследовании процессов гидроаэродинамики и тепло- и массообмена в различных областях широкое применение находят различные методы численного моделирования [28, 30, 38, 44]. Общей характер процессов, происходящих во внутреннем контуре ДС в процессе работы двигателя, а также характеристики применяемых конструкционных материалов, рабочих тел, способов подвода и отвода теплоты указывают на широкие возможности применения численных методов в исследованиях, связанных с этим типом двигателей [10, 13, 23, 31, 32, 36, 37, 48, 49, 54, 56].
Цель исследования: создание модели процессов тепло- и массообмена во внутреннем контуре двигателя Стирлинга “альфа”-компоновки. При этом необходимо обеспечить возможность определения значений основных газодинамических и теплофизических параметров рабочего тела во всем объеме внутреннего контура ДС и их изменений в течение рабочего цикла двигателя.
Для достижения цели исследования решались следующие задачи:
- оценка современного состояния исследований в области моделирования работы ДС;
- подбор, разработка, апробация предполагаемых к применению методов и методик расчета;

2.2 Основные элементы расчетной модели внутреннего контура ДС
2.2.1. Основные соотношения, использовавшиеся при численном моделировании
Составленная в рамках данного исследования модель процессов тепло- и массообмена во внутреннем контуре ДС имеет в свой основе численные методы, основанные на решении основных уравнений баланса в рамках контрольных объемов, совокупность которых составляла расчетную область, моделирующую, в сочетании с соответствующими условиями однозначности, внутренний контур двигателя.
Основными уравнениями баланса, использовавшимися для моделирования течения рабочего тела во внутреннем контуре, являлись уравнения законов сохранения массы, момента импульса, энергии. Уравнение закона сохранения массы (уравнение неразрывности) в общем случае имеет вид [30, 38]:
Здесь 5,„ соответствует массе, вводимой в систему извне. При предположении об отсутствии утечек рабочего тела из внутреннего контура и притока рабочего тела в него 1$’ш = 0.
Уравнения закона сохранения массы при двухмерной постановке задачи и предположении об отсутствии массообмена между внутренним контуром и внешней средой принимает вид:
Здесь члены р% и F используются для учета влияния гравитации и внешних сил соответственно. Для замкнутого внутреннего контура ДС, содержащего рабочее тело под давлением порядка 1-10 МПа, влияние сил гравитации на течение рабо-
(2.1)
(2.2)
Уравнение закона сохранения импульса в общем случае [30, 38]:
|Ч/9г) + V • (/лч7) + ^-(ру )= -Ур + V • (г) + + Р.
ді ох
(2.3)