12/25　型史特靈引擎平行板堆疊式熱交換器之三維數值研究Student : Shu-Wei Chang

Advisor: Dr. Chang-Da Wen

Dec, 2013

大綱研究動機文獻回顧三維物理模型數值模擬方法可能遭遇之困難未來工作預期貢獻

研究動機近年來，化石燃料的過度使用，造成能源上的短缺，以及燃燒化石燃料產生汙染。

史特靈引擎屬於外燃機，可使用任何燃料，可連續燃燒，降低廢氣汙染，擁有較高的效率。

結構簡單，部汽閥、正時點火等相關零件，潤滑以及軸承可避免設計在高溫部分，適用於長時間運轉。

不使用爆燃和高速噴流，運轉時噪音低、安全性高。

研究動機為增加效率，必須透過引擎本身高溫加熱工作流體，耐高溫、剛性大、抗氧化腐蝕、導熱性高、不易老化的材質不易取得。

需要高壓的工作流體，有些機型的史特靈引擎不容易長時間密封高壓的工作流體。

提高效率有以下方式提高加熱頭溫度傳遞 (降低熱阻 )提高熱交換器效能提高熱區溫度

文獻回顧 Kurzweg為首位將兩平板、圓管上下游加入討論範圍，並解出一解析解。

Ms. Saundra Gage將 Kurzweg解析解作簡化，並且在圓管往復流中模擬與實驗，與解析解結果相吻合。

T.S. Zhao和 P. Cheng在往復流模擬、實驗當中，得到一方程式，用以判定往復流場為層流或紊流，以及得到往復流入口長度。

文獻回顧目前史特靈熱交換器研究大部分仍以二維座標為主，三維往復流的研究較少。

目前研究將上下游加入討論範圍仍較少，三維流場分析上，將上下流加入討論範圍的研究更是少之又少。

能夠更完整的分析熱交換器整體流場，尤其是兩平板間出入口交接處，能夠將出入口流場加入討論範圍。

文獻回顧型史特靈引擎平行板堆疊式熱交換器之數值研究

Compression region

Expansion region

Displacer

Heater

Power piston

Cooler

Regenerator

文獻回顧

x

(c)

(a)

(b)

pL

hL

pL

H gH

tH

(e)

(d) (g) Simulation Domain

(f) y

文獻回顧

文獻回顧模型基本假設

暫態層流模擬 (Transient laminar condition)忽略動力影響 (Gravity effect is negligible)二維卡式座標 (2-D Cartesian coordinate system)不可壓縮流 (Incompressible flow)工作流體性質維定值 (Constant thermal properties)忽略自然對流以及輻射影響 (Natural convection and

radiation are both negligible)

在真實史特靈引擎中，活塞大多近似時間正弦函數的方式運動。

文獻回顧

邊界條件 左邊界

Velocity Continuous flow condition (fully development condition)

Temperature Fully development condition

181 360

0 180

max sin( ) 0u u t v 、

0 180

, 0 180leftT T

181 360

文獻回顧

邊界條件 右邊界

Velocity Continuous flow condition (fully development condition)

Temperature Fully development condition

181 360

0 180

max sin( ) 0u u t v 、

0 180

, 180 , secright cross tional averageT T

181 360

文獻回顧

邊界條件 上、下邊界

Symmetry boundary condition

牆邊界 Velocity

Temperature

0 0u v 、

wallT T

三維物理模型

三維物理模型模型基本假設

暫態層流模擬 (Transient laminar condition)忽略動力影響 (Gravity effect is negligible)三維卡式座標 (3-D Cartesian coordinate system)不可壓縮流 (Incompressible flow)工作流體性質維定值 (Constant thermal properties)忽略自然對流以及輻射影響 (Natural convection and

radiation are both negligible)

基本假設與二維假設條件相同

三維物理模型待決定之邊界

絕熱邊界 ?定溫邊界 ?

數值模擬方法此研究所使用模擬軟體為 Ansys Fluent 14.0

將前處理、分析運算、後處理等作業做一統整，但仍保留資料以供所需軟體做讀取，簡化操作難度，也方便使用者進行模擬結果的分析

擁有許多物理模型、運算法以及自訂項目，提供使用者設定所需模擬環境。

UDF(User Defined Function)供使用者自行撰寫所需環境設定，例如：邊界條件、工作流體性質、壁面溫度、熱源等。

數值模擬方法 -前處理模型建立、網格劃分、環境條件設定、工作流體性質設定等。

SolidWork、 ProE、 DesignModeler 建立模型 Ansys Meshing 劃分網格

在突縮突擴部分，細化網格

數值模擬方法 -分析運算主要算法使用 SIMPLE法，由 Patanlar提出

不對 Navier-Stokes方程式求聯立解，而是對動量方程式進行壓力修正

能量方程式對流項使用二階中央差分法離散速度場使用 QUICK法離散

數值模擬方法 -後處理以 Tecplot進行後處理作業

再三維中，可取任意切面之資料或整理資料進行資料運算，以求得所需平均值等輸出整理過後之資料，方便以圖表方式展示可展示無因次化後之結果

可能遭遇之困難 DesignModeler、 Ansys Meshing、 Fluent等軟體操作，如何設定所需模擬環境、模型，分析模擬完成資料，輸出圖表以供讀者方便了解，都是需要學習的地方。

Fluent以殘餘值作為收斂準則，有可能會發生計算參數以收斂，而殘值無法收斂的情況，必須去了解無法收斂之原因，格點影響、模型使用不當、邊界設定不當等，等可能是原因。

此研究首先以 Fluent驗證 Fortran程式，有可能會發生結果不相同之情況，必須尋找可能原因，進行修正或是尋找類似研究，用以佐證設定無誤。

未來工作完成二維熱交換器模擬研究，以及完成三維情況下，不同參數之溫度場、速度場模擬，分析紐賽數、摩擦係數等。

研究各個參數對整體流場、熱傳情況的影響，嘗試使用動力雷諾數、阻塞比、無因次加熱板長以及三維尺寸參數，建立紐賽數、摩擦係數修正方程式。

預期貢獻在未來相關領域中，可依據此修正方程式，進行紐賽數、摩擦係數最佳化的處理。

可使未來從事相關研究人員，了解各個參數對整體流場的影響。

增加熱交換器效率，進而提升史特靈引擎整體效率，更有效利用有限的能源。

THANKS FOR YOUR ATTENTION