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系統識別號 U0002-2108200915575400
中文論文名稱 Gamma型態史特靈引擎之數值分析
英文論文名稱 Numerical Analysis of Gamma Type Stirling Engine
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 97
學期 2
出版年 98
研究生中文姓名 李明璋
研究生英文姓名 Ming-Chang Li
學號 696371441
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-07-10
論文頁數 58頁
口試委員 指導教授-康尚文
委員-鄭金祥
委員-李永明
委員-蔡建雄
委員-楊龍杰
中文關鍵字 史特靈引擎  計算流體動力學分析  復熱再生器 
英文關鍵字 Stirling Engine  CFD Analysis  Regenerator 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究透過數值分析之方式,模擬以理想氣體為工作流體之gamma型態史特靈引擎內部震盪流場與整體溫度分布情形,係利用計算流體動力學分析軟體ESI-CFD來執行運算;於本研究中,將以2-D之數學模型進行整體gamma型態史特靈引擎結構之建模計算,並針對單、雙動力汽缸做比較。時間與體積之變化將表現出對應之暫態的壓力變化及溫度場之分布;模擬之溫度場變化與實際實驗結果呈現出相當好的比對。最後,利用porous-media模組進行初步之復熱再生器的模擬研究。
英文摘要 This research study a numerical analysis on the oscillatory flow and temperature distribution inside a gamma type Stirling engine with ideal gas as working fluid. The CFD code used in the investigation for modeling is ESI-CFD. In this study, a 2-D mathematical model is formulated for a full scale gamma-configuration Stirling engine with single and dual power pistons. Variation of time, piston volume with pressure and temperature are presented. The calculated temperature distribution results compare well with experimental results from the other research in our group. Also, a preliminary study for an initial thermal equilibrium porous-media model used in CFD codes for simulation of Stirling regenerators is presented.
論文目次 目 錄
誌謝 I
中文摘要 II
英文摘要 III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 VIII
符號說明 IX
第一章 緒論 01
1.1 研究背景與動機 01
1.2 史特靈引擎簡介 03
1.2.1 作動原理 03
1.2.2 引擎形式 03
1.3 文獻回顧 07
1.4 研究目的 12
第二章 理論分析 13
2.1 模擬分析軟體簡介 13
2.2 基本假設 15
2.3 統馭方程式(Governing Equations) 15
2.3.1 質量守恆方程式 16
2.3.2 動量守恆方程式 16
2.3.3 能量守恆方程式 18
2.3.4 紊流傳遞方程式 18
2.4 數值方法 19
2.4.1 有限體積法 19
2.4.2 內插法 23
2.4.3 有限差分方程式 24
2.5 邊界條件 25
第三章 數值求解 27
3.1 SIMPLEC演算法 27
3.2 低鬆弛係數(Under-Relaxation) 30
3.2.1 虛擬時間鬆弛(false time step relaxation) 30
3.2.2 線性鬆弛(linear relaxation) 31
3.3 建模及網格化設置 31
3.4 參數分析 35
3.5 求解流程 39
第四章 結果與討論 41
4.1 模擬驗證結果 41
4.2 再生器的設計 51
4.3 參數設定與結果 51
第五章 結論與未來建議 53
5.1 結論 55
5.2 未來建議 56
參考文獻 57
圖目錄
圖1-1 史特靈引擎構造與作動方式 06
圖1-2 史特靈引擎類型 06
圖1-3 高階矩陣之階數越高數值收斂越快 10
圖1-4 Free piston之2D建模 11
圖1-5 無重力情況下的流線 11
圖1-6 有重力情況下的流線 11
圖2-1 三維計算單元(控制體積) 20
圖2-2 二維計算單元(控制體積) 20
圖2-3 計算邊界單元 26
圖3-1 史特靈引擎尺寸圖(單缸) 33
圖3-2 2D建模示意圖(單缸) 33
圖3-3 史特靈引擎尺寸圖(雙缸) 33
圖3-4 2D建模示意圖(雙缸) 33
圖3-5 史特靈引擎設計組合圖a 34
圖3-6 史特靈引擎設計組合圖b 34
圖3-7 結構性網格架構 34
圖3-8 非結構性網格架構 35
圖3-9 各邊界示意圖 37
圖3-10 連桿機構示意圖 38
圖3-11 活塞與移氣器位移軌跡圖 38
圖3-12 CFD-ACE之求解流程圖 40
圖4-1 汽缸內壓力穩態示意圖(單缸) 42
圖4-2 出水口溫度變化圖(單缸) 43
圖4-3 動力活塞於上死點整體溫度分布圖(單缸) 43
圖4-4 動力活塞於下死點整體溫度分布圖(單缸) 44
圖4-5 實驗與模擬出水口溫度變化圖(單缸) 44
圖4-6 汽缸內壓力穩態示意圖(雙缸) 45
圖4-7 出水口溫度變化圖(雙缸) 45
圖4-8 實驗與模擬出水口溫度變化圖(雙缸) 46
圖4-9 動力活塞於上死點整體溫度分布圖(雙缸) 46
圖4-10 動力活塞於下死點整體溫度分布圖(雙缸) 47
圖4-11 穩態前五個週期之P-V圖(單缸) 48
圖4-12 穩態前五個週期之P-V圖(雙缸) 49
圖4-13 模擬與實驗P-V圖(單缸) 50
圖4-14 模擬與實驗P-V圖(雙缸) 50
圖4-15 模擬單缸與雙缸P-V圖 51
圖4-16 復熱再生器位置示意圖 52
圖4-17 孔隙率70﹪之P-V圖 53
圖4-18 孔隙率75﹪之P-V圖 53
圖4-19 孔隙率80﹪之P-V圖 54
表目錄
表3-1 模擬計算參數設定 37
表4-1 復熱再生器設計參數 52

參考文獻 參考文獻
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