基于动态分析的斯特林循环多目标优化模型及试验研究
斯特林发动机在太阳能热发电、余热利用、生物质发电、水下动力、深空探测及热电联供等领域具有广阔的应用前景，但其设计方法的适用范围很窄，难以满足多元化利用的需求。围绕着高效的斯特林发动机优化设计及试验验证，开展了基于动态分析的循环分析方法研究，构建了多目标优化模型，并进行了循环特性测试和试验方法探究等方面的研究工作。 开发了适合斯特林正逆循环的二阶斯特林循环分析模型，充分考虑了斯特林发动机内部存在的各种热量损失和功率损失，分析了这些损失对换热器的换热影响，系统研究了耦合活塞实际运动规律和工质气体物性实际参数的影响规律。 开发了可压缩流体的三阶分析模型，将斯特林循环空间划分为了7部分，分别是膨胀腔、加热器、回热器加热器余隙区域、回热器、回热器冷却器余隙区域和冷却器；将质量、动量和能量守恒原理依次应用于离散的一维有限控制体积阵列中，以加热器和冷却水的输入温度为边界条件，同时将斯特林循环过程中存在的各种损失耦合到了实际循环过程中。自主设计制造了一台kW级的β型斯特林发动机，其最大循环功率和循环效率分别为3033W和30％，获得了p-V图、指示功率和循环效率等一系列详细的试验数据。对比模型数据，循环功率和循环效率的分析结果相对偏差分别在8.2%-14.5%和4.6-10%之间。 建立了基于遗传算法的斯特林循环约束多目标模型，并对100W的斯特林发动机进行了以效率、功率和功率损失为目标函数的多目标优化，获得了多目标下的帕累托集，并采用TOPSIS决策方案从帕累托前沿中选择最终的优化方案。在最终决策点下，采用模型优化的斯特林发动机的循环功率和效率分别获得了34.5%和24.0%的提升，功率损失则降低了23.3%。实测数据显示，优化机型在功率和效率方面分别获得了26.3%和19.6%的提升。研究结果显示，多目标优化模型的功率和效率误差分别为6.0%和3.7%。 针对一台自主设计的100W斯特林样机，采用实验和模型相结合的方法，研究了斯特林正逆循环下的试验特性，提出了一种用斯特林逆循环预测正循环的方法，即用斯特林逆循环的输入功率预测斯特林正循环输出功率的一种方法，获得了100W斯特林发动机正循环与逆循环指示功率的数学关系：Whea2/-Wcoo1=A?((Te2-Tc2)/(Tc1-Te1))0.8321，采用模型预测的结果与实验值之间的误差在-0.5-7.4%之间。 综上，本文提出了一套较为完整的斯特林发动机的优化设计与试验方法，并通过理论分析和试验数据比较，验证了优化模型和试验方法的有效性，以期为斯特林发动机的多元化设计提供有价值的参考。
斯特林发动机;多目标优化;动态分析;加热器
浙江大学
博士
工程热物理
倪明江;肖刚;岑可法
2023
中文
TK403
2023-07-10（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）