β型史特靈引擎平行板堆疊式熱交換器之三維數值模擬

Translated title of the thesis: Three Dimensional Numerical Simulation of Parallel Plate Stack Heat Exchanger in Beta-type Stirling Engine
  • 張 書維

Student thesis: Master's Thesis

Abstract

近幾年來低溫差和聚焦型太陽能史特靈引擎的研究正蓬勃發展著,其中熱交換器的性能對於引擎整體效率顯得更為重要。在以往的研究當中,常使用對稱型溫度邊界做為研究探討的對象,在近期的幾篇文獻當中,開始探討非對稱型溫度邊界,以更貼近現實中實際情況,更準確的分析堆疊式平板中往復流之熱傳效果。 在目前的研究當中,較常使用二維模擬的方式,來獲得所需之結果,例如平板間之紐賽數(Nusselt Number)、摩擦係數(Friction Coefficient)等等,然而忽略三維邊界所造成的影響,是否符合實際的情況,仍值得探討,因此我們利用Ansys所提供模組化的模型建立、網格建立,快速建立欲分析之模型及網格,並且利用Fluent所提供多核心運算,減少進行三維模擬運算所需耗費的時間,以往使用自行撰寫程式碼的方式,並無法將模擬運算最佳化,達到最快速的運算。 本研究希望加入三維邊界的模擬,以分析三維模擬環境下之堆疊式平板往復流之摩擦係數與熱傳效果,並且進行對稱面以及整體加熱平板模擬結果與二維模擬的差異,探討三維牆邊界之重要性,是否可以忽略,最後以模擬結果建立摩擦係數和紐賽數之關係式,以利設計最佳之史特靈引擎熱交換器。 從研究結果中我們可以得知,在對稱面的部分,摩擦係數在低無因次寬度時有著稍微較大的變化,而隨著無因次寬度的提高,摩擦係數仍呈一定值,而紐賽數在對稱面各有一最大與最小值,且無因次寬度於25之後則逐漸與二維模擬結果吻合;從整體平板來看,無因次寬度不影響摩擦係數的改變,僅有動力雷諾數會影響摩擦係數,且動力雷諾數越高,與二維模擬結果的差距越大,即使在對稱面紐賽數有與二維相同之結果,與其他位置仍相差甚多,因此三維邊界在堆疊式平板中佔有一定重要性,而在無因次寬度為10時,各動力雷諾數皆有一最高之時間空間平均紐賽數,因此在此模型中,無因次寬度10為最適當之選擇。 從此研究結果了解到,「環效應(annular effect,往復流中最大軸向速度以及最大溫度梯度)」不僅存在於往復管流中,也存在於三維堆疊式平板往復流中,且其影響力不容小覷。 最後,利用這些模擬資料點,建立時間空間平均摩擦係數、紐賽數之關係式,以動力雷諾數、無因次寬度表示,從關係中我們也可得知參數對於摩擦係數、紐賽數的影響力,以利設計者設計最佳之史特靈引擎熱交換器。
Date of Award2014 Aug 22
Original languageChinese
SupervisorAlex Chang-Da Wen (Supervisor)

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