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- 内容简介
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目录
第1章 绪论 17
第2章 非定常流动和传热理论 20
2.1 控制方程 20
2.1.1 连续方程 20
2.1.2 动量方程 21
2.1.3 能量方程 23
2.1.4 湍流模型 24
2.1.5 多孔介质模型 28
2.2 非平衡多孔介质守恒方程 28
2.2.1 液动力扩散 30
2.2.2 渗透率与惯性系数 31
2.2.3 有效流体和固体热导率 32
2.2.4 热扩散传导率 33
2.2.5 流体滞止热传导率和固体有效热传导率 34
2.2.6 流体和固体基质单元之间的热传递系数 36
2.3 小结 36
第3章 定常/非定常流动和传热的关系 37
3.1 引言 37
3.2 内流和传热 37
3.2.1 内流 37
3.2.2 摩擦因子 39
3.2.3 内部热传递 39
3.2.4 努塞尔数关系式 40
3.2.5 入口效应 41
3.3 外流和传热 43
3.3.1 流动结构 44
3.3.2 阻力和升力系数 44
3.3.3 斯特劳哈尔数 45
3.3.4 努塞尔数 45
3.3.5 压力系数 46
3.4 回热器中的流动和传热 47
3.4.1 定常流 47
3.4.2 振荡流和传热 48
3.5 小结 50
第4章 斯特林设备的类型和工作原理 52
4.1 引言 52
4.2 斯特林发动机、制冷机和热泵的工作原理 52
4.3 斯特林发动机的一般结构 55
4.4 斯特林发动机的动力输出方法 56
4.5 几种斯特林样机的动力输出 56
4.5.1 自由活塞先进斯特林热机（发动机/发电机） 57
4.5.2 自由活塞元件测试动力热机（发动机/发电机） 58
4.5.3 通用汽车公司地面动力单元GPU-3菱形驱动斯特林发动机 60
4.5.4 MOD II汽车斯特林发动机 61
4.5.5 SES 25kW斯特林发动机系统 61
4.6 斯特林制冷机 63
4.6.1 Sunpower公司M87低温制冷机 64
第5章 斯特林发动机回热器的类型 66
5.1 引言 66
5.2 回热器封装结构 66
5.3 回热器多孔介质结构 67
5.3.1 无孔基质：筒壁作为储热介质 67
5.3.2 堆叠编织丝网 68
5.3.3 毛毡多孔介质材料 69
5.3.4 堆积球回热器基质 70
5.3.5 管束回热器方案 70
5.3.6 卷绕箔回热器 71
5.3.7 平行板回热器 72
5.3.8 分段渐开线箔回热器 72
5.3.9 网板回热器和其他化学蚀刻型回热器 73
第6章 毛毡回热器—实际尺寸 75
6.1 引言 75
6.1.1 金属毛毡回热器 76
6.1.2 聚酯纤维回热器 78
6.1.3 电子显微镜下纤维直径测量 79
6.2 NASA/Sunpower 的振荡流测试台及测试台的修改 82
6.3 毛毡测试结果 82
6.3.1 Bekaert 90%孔隙率不锈钢纤维回热器测试结果 82
6.3.2 Bekaert 96%孔隙率不锈钢纤维回热器测试结果 83
6.3.3 Bekaert 93%孔隙率不锈钢纤维回热器测试结果 84
6.3.4 抗氧化合金90%孔隙率回热器测试结果 85
6.3.5 与孔隙率相关的摩擦因子和传热通用关系式 86
6.3.6 聚酯纤维回热器测试结果 87
6.4 理论研究 87
6.4.1 孔隙率对回热器的影响 88
6.4.2 计算黏性和热涡旋输运 90
6.4.3 边缘漏气 91
6.4.4 回热器不稳定性 92
6.5 计算流体力学模拟绕流中的柱体 94
6.5.1 流场和热力场 94
6.5.2 斯特劳哈尔数关系式 96
6.5.3 努塞尔数关系式 96
6.5.4 轴向热扩散率 97
6.6 实验关系式总结和结论 99
第7章 毛毡回热器—放大尺寸 101
7.1 绪论 101
7.2 放大尺寸回热器测试项目的主要工作和成果 101
7.2.1 测试系统构建 101
7.2.2 射流扩散到回热器基质 104
7.2.3 回热器基质渗透率和惯性系数的评估 104
7.2.4 非定常的热传递测量 105
7.2.5 多孔基体内部的湍流输运与热扩散 111
7.2.6 多孔介质内固体壁面附近的热扩散率测量及与计算结果的比较 117
7.2.7 计算流体动力学：UMN测试台的仿真 118
7.2.8 承载振荡流动的多孔介质的压降仿真 131
7.2.9 承载振荡流动的多孔介质的热力场仿真 133
7.2.10 CFD-ACE +多孔介质模型的验证 138
第8章 分段渐开线箔回热器——实际尺寸 140
8.1 引言 140
8.2 选择微加工回热器方案 141
8.2.1 现有毛毡回热器的问题 141
8.2.2 新型微加工回热器氦流量和结构要求 142
8.2.3 性能表征 143
8.2.4 微特征容差 144
8.2.5 表面粗糙度 145
8.2.6 回热器的设计概念 146
8.2.7 预测斯特林发动机的好处：在相同的热输入下增加6%～9%的功率 150
8.3 加工工艺考虑和制造供应商选择 152
8.3.1 制造工艺概述 152
8.3.2 Mezzo微加工工艺背景和初始、第一阶段的开发 156
8.3.3 第二阶段Mezzo微制造工艺的持续发展 161
8.3.4 发动机回热器制造（Mezzo微加工工艺的第三阶段） 163
8.4 分段渐开线箔回热器的分析、装配和振荡流测试 163
8.4.1 振荡流测试装置中的原型回热器测试 163
8.4.2 分析支持——为在频率实验台斯特林发动机上测试做准备 174
8.5 分段渐开线箔回热器的CFD计算结果 186
8.5.1 实际尺寸回热器的描述及其放大尺寸实体模型 186
8.5.2 CFD计算域 188
8.5.3 摩擦因数与努塞尔数的关系式 194
8.5.4 CFD网格独立性测试和代码验证 195
8.5.5 二维和三维建模结果 196
8.5.6 总结和结论 211
8.6 渐开线箔回热器的结构分析 213
8.6.1 第一阶段结构分析计划——渐开线箔回热器的概念 213
8.6.2 修改后的渐开线箔回热器结构分析 216
8.7 斯特林发动机回热器的研究结论 219
8.7.1 回热器的检查与安装 220
8.7.2 FTB测试结果与Sage预测结果对比 222
8.8 整个渐开线箔回热器的结论以及未来工作建议 227
第9章 分段渐开线箔回热器——放大尺寸 228
9.1 简介 228
9.2 动力学相似 229
9.3 放大尺寸实体模型设计 229
9.3.1 LSMU的最终设计 230
9.3.2 工作条件 231
9.4 在单向流条件下的LSMU实验 234
9.4.1 LSMU实验准备 234
9.4.2 用热线探针测量整个环扇形区域 235
9.4.3 摩擦因数 236
9.4.4 渗透系数以及惯性系数 237
9.4.5 不同LSMU配置的摩擦因数 239
9.5 射流侵彻研究 241
9.5.1 圆形射流发生器的射流侵彻研究 241
9.5.2 狭槽射流发生器的射流侵彻研究 247
9.6 非稳态传热的测量 253
9.6.1 嵌入式热电偶 254
9.6.2 实验流程 254
9.6.3 LSMU非稳态传热测试结果 257
第10章 网板和其他回热器基体 262
10.1 引言 262
10.2 网板回热器 262
10.2.1 NS03T 3kW发动机 263
10.2.2 3kW NS03T发动机的回热器 264
10.2.3 带沟槽的网板设计 265
10.2.4 无沟槽及带不同类型沟槽的新型网板设计 268
10.2.5 NS03T发动机性能参数的定义 269
10.2.6 使用不同基质时NS03T斯特林发动机的性能 270
10.3 Matt Mitchell的蚀刻箔回热器 285
10.4 Sandia国家实验室的平板回热器 286
第11章 多孔材料的其他应用 288
11.1 引言 288
11.2 燃烧过程中的多孔材料 288
11.3 强化电子制冷中的多孔材料 290
11.4 热管中的多孔材料 292
第12章 总结和结论 295
第13章 进一步的工作 298
13.1 开发新的斯特林发动机/制冷机 298
13.2 开发新的回热器方案 298
13.3 进一步研究回热器 298
13.4 回热器的CFD建模 299
13.5 新回热器的微制造 299
附录A NASA/Sunpower振荡流动压力降和传热测试台 301
A.1 一般描述 301
A.2 对振荡流动测试台的改进 302
A.3 对测试台的附加修改 304
A.3.1 振荡流动测试台的新水表 304
A.3.2 改进传热测试方法 304
附录B 关于应用于斯特林发动机物理仿真的动力学相似的一些评注 305
B.1 流体力学 305
B.2 传热 306
B.3 自由分子对流 307
B.4 回热器品质 309
B.5 明尼苏达大学（UMN）测试装置设计 309
附录C 辐射损失的理论分析 316
C.1 结果摘要 316
C.1.1 长薄管里的辐射 316
C.1.2 黑壁假设的进一步修正 318
C.1.3 回热器分析 318
C.2 通过小截面管的辐射热流的详细推导（Gedeon Associates，Athens，Ohio） 319
C.2.1 负端贡献 319
C.2.2 正端贡献 319
C.2.3 负端管壁贡献 320
C.2.4 正端管壁贡献 321
C.2.5 正则化 321
C.2.6 编程 322
附录D 回热器内部流道变化引起的回热器品质降级 323
D.1 背景 323
D.2 间隙变化的影响 324
附录E Sunpower公司ASC发动机中的箔型微制造回热器具备提升6%～9%输出功率的潜力 326
E.1 引言 326
E.2 细节 326
附录F 电火花（EDM）加工回热器盘——同心渐开线环 328
F.1 装满一个圆柱 328
F.2 尺寸 329
F.3 中心孔 329
F.4 变角度渐开线 330
F.5 EDM 330
F.6 结构分析 330
附录G 渐开线数学 331
G.1 渐开线数学 331
G.2 截断渐开线 333
G.3 试算表计算 333
附录H 真实斯特林发动机中回热器品质因素的含义 335
H.1 先导性讨论 335
H.2 重新表述品质因数 335
附录I 用新的96%孔隙率数据更新与孔隙率有关的毛毡关系式 338
I.1 主要关系式 338
I.2 品质因数 339
I.3 关联孔隙率 339
I.4 数据文件 341
附录J 回热器最终设计 342
J.1 详细说明 342
J.2 射流扩散器设计 343
J.3 热膨胀和装配问题 344
J.4 射流边界条件 344
附录K 估计发电机的效率 346
附录L 射流扩散器的CFD结果 348
L.1 CFD结构 348
L.2 CFD结果 349
术语 352
参考文献 362
