自由活塞斯特林發(fā)動機輻射冷卻器的性能研究.pdf

1、近年來隨著新一輪空間探索熱潮的興起，空間探索任務(wù)要求執(zhí)行的周期越來越長，這就使得執(zhí)行空間探索任務(wù)的航天器對能源的需求越來越高。自由活塞斯特林發(fā)動機是一種外部加熱的閉式循環(huán)活塞式發(fā)動機，具有長壽命、高可靠性、高效率和高比功率等優(yōu)點，特別適合于空間探索任務(wù)的需要。因此，對空間熱發(fā)電應(yīng)用的自由活塞斯特林發(fā)動機的研究具有十分重要的意義。
　　本文首先對有效功率為200W的自由活塞斯特林發(fā)動機進行初步設(shè)計，確定自由活塞斯特林發(fā)動機換熱系統(tǒng)的

2、基本參數(shù)。以自由活塞斯特林發(fā)動機的初步設(shè)計方法為基礎(chǔ)，結(jié)合理想絕熱模型與Simple分析法，完成了基于Matlab平臺的自由活塞斯特林發(fā)動機參數(shù)設(shè)計可視化軟件的開發(fā)。利用該軟件對自由活塞斯特林發(fā)動機的主要參數(shù)進行了優(yōu)化及分析，通過多目標優(yōu)化設(shè)計方法得到其全局最優(yōu)設(shè)計參數(shù)。為了減小數(shù)值計算中模型的網(wǎng)格量和縮短計算周期，設(shè)計了有效功率為15W的斯特林發(fā)動機，其設(shè)計參數(shù)作為研究熱管式輻射冷卻器的依據(jù)。
　　其次，建立了自由活塞斯特林發(fā)動

3、機熱管式輻射冷卻器的物理模型。通過FLUENT軟件的動網(wǎng)格技術(shù)模擬了自由活塞斯特林發(fā)動機內(nèi)工質(zhì)氣體的振蕩流動，分析輻射冷卻器的動態(tài)換熱特性及流動阻力特性。研究發(fā)現(xiàn)熱管蒸發(fā)段總換熱量周期性變化的相位總是略微滯后于平均速度的相位和略微超前于平均溫度的相位；輻射冷卻器熱管在某一迎風(fēng)間距與順風(fēng)間距下蒸發(fā)段的綜合換熱性能最好時，發(fā)動機的綜合效率也最高；適當減小熱管的迎風(fēng)間距與順風(fēng)間距，有利于平衡每對熱管蒸發(fā)段的換熱能力，使蒸發(fā)段換熱量均勻分布；熱

4、管對數(shù)越多，靠近冷卻器出口處的熱管蒸發(fā)段換熱能力越差。
　　最后，研究了表面發(fā)射率、輻射板厚度及材料對輻射冷卻器輻射散熱效率的影響。結(jié)果顯示，單位面積的輻射散熱量Qout/A隨表面發(fā)射率的增加基本呈線性增加；而單位輻射散熱量所需質(zhì)量M/Qout與表面發(fā)射率呈反比。以固定散熱量為約束條件，優(yōu)化分析了輻射表面的溫度分布及散熱效率：當總散熱量一定時，在優(yōu)先考慮M/Qout最小的前提下，不同的輻射板厚度都有對應(yīng)的最優(yōu)輻射表面長寬比；相比鈦