基于斯特林发动机燃烧室的高温温度场构建方法研究

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斯特林发动机模型制作与研究

毕业设计(论文) 题目斯特林发动机模型制作与研究系别动力工程系专业班级热能与动力工程08k3班学生姓名指导教师王庆五二○一二年六月斯特林发动机模型制作与研究摘要随着石油资源的日益短缺，石油价格逐渐上涨，传统的内燃机使用石油资源而引起的环境污染、能源使用极不平衡等社会问题日见突出。

研究能以天然气、沼气、生物质等作为燃料的发动机有关技术，对于促进能源的综合利用、改善当前使用单一石油资源的状况并减少环境污染，创造节约型社会，具有重要的意义。

斯特林发动机作为外燃机具有的燃料多样化、效率高、噪音和污染小等特点，适于利用农村薪材、桔杆和太阳能进行发电。

斯特林发动机得天独厚的优势，以及各种新材料新技术的出现，斯特林发动机必将代替内燃机为21世纪提供主要动力。

斯特林发动机的广泛应用，必将使我国的能源利用效率得到大幅度提高，无沦是对环境保护还是节能减排，都有着非常重要的积极意义，也将会为我国的经济又好义快的发展提供充足动力。

本文通过研究斯特林发动机的性能特性，讲述了斯特林发动机的结构类型与主要分析方法，总结了斯特林发动机的关键技术，阐述了斯特林发动机的特点及主要应用，设计制造了斯特林发动机模型，并对该模型进行了实验分析，得出的结论和模拟性能基本一致。

关键词:斯特林发动机；性能模拟；设计实验Stirling engine model production and studyAbstractThe oil energy is reducing and its price is increasing day by day,theinternal-combustion engine has brought environment pollution and broken zoology balance，the problems are standing out．Researching engine that can combust gas，marsh gas，biology is very signification that it can promote the compositive utilization of energy，change the use of only one oil energy，reduce environment pollution，create the economy society．The Stirling engine as outboard engines with fuel diversification, high efficiency, noise and pollution and other characteristics, suitable for rural fuelwood, straw and solar power generation. The unique advantage of the Stirling engine, as well as a variety of new materials, new technologies emerge, the Stirling engine will replace the internal combustion engine to provide the main driving force for the 21st century. Wide range of applications of the Stirling engine, will make China's energy use efficiency has been greatly improved, no occupied by the enemy of environmental protection or energy saving, have very important positive significance, will also be good for China's economic justice the fast pace of development to provide adequate power.According to the requirements on the development of energy and basing on the theory of stifling engine，the software the simulate stirling engine character is developed,then the configuration-type and analytical method of Stirling cycle were elaborated in the following parts.The key technology that affect the performance was also summarized.Through its character,the stifling engine model is designed and manufactured，and it is tested，the conclusion consistent with the simulation character．Key Words:stirling engine，simulation eharaeter`designing experiment目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论 (1)1.1 斯特林发动机的背景及意义 (1)1.2 斯特林发动机国内外研究动态 (2)1.2.1 国内发展状况 (2)1.2.2 国外发展状况 (2)1.3 本文的主要研究内容 (4)2 斯特林发动机组成及理论分析 (5)2.1 斯特林发动机的组成 (5)2.2 斯特林发动机的工作原理 (6)2.3 斯特林发动机热效率分析 (8)2.4 小结 (8)3 斯特林发动机性能分析 (10)3.1 斯特林发动机实际循环性能分析计算 (10)3.1.1 数学模型的建立 (10)3.2 斯特林发动机性能模拟及影响性能因素 (13)3.2.1 膨胀腔、压缩腔示功图和总示功图 (13)3.2.2温度、压力、转速等因素对斯特林发动机性能影响 (14)3.3 结论 (15)4 斯特林发动机模型设计制作 (16)4.1 斯特林发动机的设计类型 (16)4.2 斯特林发动机设计参数的选择及确定 (16)4.3 斯特林发动机的具体尺寸及制作 (17)4.3.1 斯特林发动机模型外型 (17)4.3.2 制作方法及制作工序 (18)4.3.3 组装次序及注意事项 (22)4.3.4 试运行 (23)4.4 小结 (23)5 斯特林发动机在联合循环及余热利用中的研究 (24)5.1 朗肯—斯特林联合循环 (24)5.2 燃气轮机—斯特林联合循环 (26)5.3 小结 (28)结论 (29)参考文献 (30)致谢 (31)1 绪论在当今世界科学技术的迅速发展，人们在不断完善现有动力机的同时，还在努力探索开发新型的动力机，外燃机就是在这样的背景下设计成功的，随着石油资源的日益短缺，石油价格逐渐上涨，传统的内燃机使用石油资源而引起的环境污染、能源使用极不平衡等社会问题日见突出。

斯特林发动机制作方法

斯特林发动机制作方法简介：斯特林引擎（Stirling Engine）的优势特色与问题从Stirling Engine 的原理与结构来看，它有几项颇具优势的特点：1.、其使用外部热源，因此只要是能够产生热，皆可用来做为推动的能源，所以并不仅限于可燃烧的燃料。

而由于内燃机常令人诟病其排放的废气，会产环境污染的问题，因此能够使用地热、太阳能等自然的能源来运作StirlingEngine，显然在此方面是具有优势的。

斯特林发动机原理2.、虽然Stirling Engine 常被归类于外燃机，但实际上，只要能够产生温差，就能够成为运作的能源，因此使用低温流体，如乾冰、或冰水，同样可使Stirling Engine 进行运作。

3.、由于Stirling Engine 外部热源与工作气体（Working gas）是分开的，因此没有燃烧废弃物堆积于内部的问题，使用的润滑油周期较持久。

4、由于热源位于外部，因此在调整控制上，比内燃机容易得多。

5、热源的提供是连续性的，较不会有燃料燃烧不全的情形。

6、比起其他引擎，它的构造很简单，不需要阀门，也没有化油器等机构。

7、运作的温度与压力比起蒸气引擎或内燃式引擎要低且安全的多，因此引擎强度与重量不需要很要求很高。

8、没有燃烧爆炸的作用，运作也很安静，没有剧烈的震动。

以上就是Stirling Engine 的发展优势。

然而，既然Stirling Engine 具有优势，但为何当初它并没有成为普遍的动力系统？显然它仍然有一些问题有待克服或替代方桉：斯特林发动机原理1、无法避免热源对热室的侵蚀。

毕竟高温差使得其运作效率提高，但也相对的会使活塞。

斯特林发动机加热器的设计和研究

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6 斯特林发动机加热管热应力分布
热力耦合模块连接方式
加热管三维模型图
加热管网格划分图
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6 斯特林发动机加热管热应力分布
加热管温度分布
从图中可以看出加热管的外壁温度恒定在450℃左右，并且温差变化不大，这可以说明工质在加热管中所受到的热量是均匀的，换热效果可以得到保证。
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5 斯特林发动机加热器的设计参数选择与计算
原有斯特林发动机参数如下， 2Kw的斯特林发动机循环系统采用空气作为工质，工质的工作压力为0.8-1MPa,过量空气系数ɑ=1.4，额定输出功率为2Kw，该发动机的发电效率并不是很高，其发电效率只有25%，2Kw斯特林发动机采用配气活塞式（β型）斯特林发动机,其活塞直径为102mm，活塞行程为5.65cm，转速为1200r\min，频率为 20Hz，在最大程度保持原有参数不变的情况下，现对斯特林发动机加热管进行初步参数设计：
斯特林发动机加热器的设计及其性能研究
指导教师：李琦芬学生姓名：苏磊专业：热能与动力
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目录
1
斯特林发动机介绍
2
3 4 5
斯特林发动机基本特点
斯特林发动机的应用
斯特林的加热器
斯特林加热器参数选择与计算
斯特林发动机加热管热应力分布总结
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7
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1 斯特林发动机介绍
斯特林发动机是一种外部燃烧的往复活塞式发动机，它做功的工质通常为气体，通过闭式回热循环的方式来改变密封在机体内部工质压力和体积从而获得能量
6 斯特林发动机加热管热应力分布
热应力分布
从图上可以看出，加热器所受的最大应力值发生在筒体内表面与加热管相接触的部分，为85.1065MPa，其余部分并未受到较大应力的作用。由于加热器整体材料的许用应力值为137MPa，因此，根据热应力模拟分布显示，加热器的最大应力值小于材料的许用应力，所以可以得到，加热管的结构强度符合设计的应用条件，满足强度要求

利用斯特林发动机进行实验的步骤与技巧分享

利用斯特林发动机进行实验的步骤与技巧分享斯特林发动机作为一种热机，已经被广泛应用于实验室研究以及教学实践中。

本文将重点介绍利用斯特林发动机进行实验的步骤与技巧，以帮助读者更好地进行研究和实践。

一、实验步骤1. 设计实验方案在进行实验前，需要先根据实验目的和要求设计实验方案。

明确实验的目标、操作步骤、所需实验器材及材料。

2. 准备实验器材和材料将所需的实验器材和材料按照实验方案准备齐全。

其中，斯特林发动机作为实验的核心设备，需要检查其工作状态、清洁程度，并确保其能够正常运行。

3. 连接实验装置按照实验方案，将斯特林发动机与其他实验装置连接起来。

这些装置可能包括燃气源、冷却系统、发电装置等。

连接时要注意管道的密封性，确保实验过程中不会发生气体泄漏。

4. 启动实验装置在连接完毕后，按照实验方案启动实验装置。

注意调整斯特林发动机的操作参数，如燃气流量、冷却水流速等，以保证实验的顺利进行。

5. 进行实验观测当实验装置启动后，可以开始进行实验观测。

根据实验方案，记录斯特林发动机在不同参数下的工作状态、温度变化以及发电情况等。

注意观测的准确性和细致程度，以获得可靠的实验结果。

6. 数据处理和分析实验结束后，进行实验数据的处理和分析。

可以利用统计软件或者手动计算的方式，对实验结果进行整理和归纳。

通过数据分析，可以得出实验结论，并验证相应的理论假设。

二、实验技巧1. 注意安全在进行实验时，安全是首要考虑因素。

确保实验场所通风良好，避免有毒气体的积聚。

操作时佩戴防护手套、护目镜等个人防护装备。

遵守实验操作规程，严禁擅自改变实验参数或进行危险操作。

2. 控制实验条件为了获得可靠的实验结果，需要控制实验条件的稳定性。

例如，保持燃气源的稳定输出，保持冷却水的稳定流速等。

实验过程中要观察并及时调整参数，以保持实验条件的稳定性。

3. 注意数据记录实验过程中要及时准确地记录实验数据。

可以使用实验笔记本或电子表格等工具进行记录，包括实验参数、观测数值以及其他相关信息。

斯特林发动机设计制作

斯特林发动机设计制作[摘要] 热气机可用氢、氮、氦或空气等作为工质，按斯特林循环工作。

在热气机封闭的气缸内充有一定容积的工质。

气缸一端为热腔，另一端为冷腔。

工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀作功燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。

已设计制造的热气机有多种结构，可利用各种能源，已在航天、陆上、水上和水下等各个领域进行应用。

试验热气机的功率传递机构分为曲柄连杆传动、菱形传动、斜盘或摆盘传动、液压传动和自由活塞传动等。

按缸内循环的组成形式分，热气机主要有配气活塞式和双作用式两类。

在一个气缸内有两个活塞作规律的相对运动，冷腔与热腔之间用冷却器、回热器和加热器连接，配气活塞推动工质在冷热腔之间往返流动。

热力循环可以分为定温压缩过程、定容回热过程、定温膨胀过程、定容储热过程四个过程。

发动机的分类有1.按使用燃料分:汽油机、柴油机等;2.按工作循环分:四冲程发动机、二冲程发动机;3.按气门位置分:顶置气门式发动机、侧置气门式发动机;4.按气缸排列分:直列式发动机、V型发动机;5.按气缸数分:单缸发动机、双缸发动机。

斯特林发动机是罗巴特.斯特林(Robert Stirling)于1816年发明的，所以命名为“斯特林发动机”(Stirling engine)。

斯特林发动机，又称热气机(Stirling Engine)是一种由外部供热使气体在不同温度下作周期性压缩和膨胀的闭式循环往复式发动机。

相对于内燃机燃料在气缸内燃烧的特点热气机又被称作外燃机。

斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。

这是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气(或氦)作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程。

课题论述重点在于利用斯特林循环的工作原理，如何小组自主完成:任务的分配;设计造型结构;绘制生产图纸;零件选材;加工工艺制定;零件制造和装配调试。

试析斯特林原理发动机在创新实验中的应用

AUTO PARTS | 汽车零部件时代汽车试析斯特林原理发动机在创新实验中的应用张甜天水师范学院　甘肃省天水市　741000摘要：随着社会经济的不断发展，人们对能源的创新利用以及减少环境污染等方面产生了新的思考，对单缸高温置换型发动机借助斯特林原理加以改造可以有效优化热力学以及空气动力学的实际应用。

基于此，本文对斯特林原理发动机的创新实验进行探讨，分别从建立斯特林原理创新实验室的背景与意义、基于STL原理的创新实验活动以及STL原理创新实验活动的重要意义出发，进一步推动对能源综合利用的思考。

关键词：斯特林原理　发动机　创新实验1　引言自工业革命开始，机械设备开始在人们的实际生活中得到广泛应用，进而有效推动了社会的变革。

在这样的发展背景下，发动机也得到了显著的发展与提升，其中内燃机和电机被广泛应用于航天、交通、日常生活等各个方面，然而以斯特林原理为基础的发动机却应用的十分有限，进而限制了相关领域的发展。

因此应进一步加强对斯特林发动机的创新应用加以探讨，进而有效发挥其在能源利用上的重要作用。

2　建立斯特林原理创新实验室的背景与意义斯特林原理发动机是由英国科学家Robert Stirling在1816年发明的，该外燃发动机的主要工作原理是运用了“热—功转换”的相关模式，物理界将其统称为STL原理。

STL发动机的发明是在蒸汽机出现之后，在当时因为蒸汽机锅炉高温、高压的特性常会导致安全事故的发生，并以此为契机Stirling 开始了对不需要锅炉的发动机的研究，并有效并发明了STL循环以及STL热机[1]。

STL循环的本质是一种全封闭式的热机循环，这也就说明了在整个热机内部参与工作的气体是不需要与外界产生交换的，相较于蒸汽机、内燃机等开放式循环模式，STL循环的全封闭循环工作方式省略了进气和排气的环节，进而也大大提升了STL发动机的使用寿命、降低了后期的维护成本。

如果STL循环的热效率可以得到有效发挥，那么其理想状态就可以近似于卡诺循环；同时，相较于内燃机燃料参与发动机内部工作的燃料供给方式，STL发动机属于外燃机，即燃料只需要提供发动机所需的热量，而不需要参与发动机内部工作。

一种基于斯特林循环的复合冷却旋转爆震燃烧室[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910846181.2(22)申请日 2019.09.09(71)申请人西北工业大学地址 710072 陕西省西安市碑林区友谊西路127号(72)发明人王可　赵明皓　王致程　朱亦圆　范玮　(51)Int.Cl.F23R 3/28(2006.01)F23R 3/52(2006.01)F25B 9/14(2006.01)(54)发明名称一种基于斯特林循环的复合冷却旋转爆震燃烧室(57)摘要本发明提出了一种基于斯特林循环的复合冷却旋转爆震燃烧室，包括旋转爆震燃烧室主体、斯特林循环系统和再生冷却系统。

利用斯特林循环系统吸收旋转爆震燃烧室产生的废热，并将废热转化为可利用的轴功，该轴功可用于带动电机发电、驱动吸气式旋转爆震发动机的压气机或火箭式旋转爆震发动机的涡轮泵为来流进行预增压等等；此外，还可依靠再生冷却系统对燃烧室外壁面进行冷却，同时改善燃料雾化效果，提高燃烧效率。

该发明既能对旋转爆震燃烧室的壁面进行有效的冷却，又能合理地利用旋转爆震燃烧室产生的废热，相对于其它形式的冷却方法，具有明显的优势。

本发明可以用于爆震推进和爆震发电等领域。

权利要求书1页说明书4页附图3页CN 110469871 A 2019.11.19C N 110469871A1.基于斯特林循环的复合冷却旋转爆震燃烧室，包括旋转爆震燃烧室本体、斯特林循环系统和再生冷却系统，其特征在于通过斯特林循环系统吸收旋转爆震燃烧室产生的废热，并将废热转化为可利用的轴功，该轴功可用于带动电机发电、驱动吸气式旋转爆震发动机的压气机或火箭式旋转爆震发动机的涡轮泵为来流进行预增压等等；此外，还可依靠再生冷却系统对燃烧室外壁面进行冷却，同时改善燃料雾化效果，提高燃烧效率。

2.根据权利要求1所述的基于斯特林循环的复合冷却旋转爆震燃烧室，其特征在于：旋转爆震燃烧室本体由燃烧室前端、燃烧室外环、燃烧室内柱、点火组件、供给及掺混系统等组成。

斯特林发动机天然气扩散燃烧数值模拟

斯特林发动机天然气扩散燃烧数值模拟张锋;孙旺生【摘要】应用数值模拟,对斯特林发动机中天然气的燃烧进行二维模拟.空气预热温度、旋流数和过量空气系数对斯特林燃烧室速度场、温度场分布以及排放有重要影响,通过模拟燃烧室速度场、温度场的分布,以及NOx和COx的浓度场分布,分别对这些参数进行优化.模拟结果为抑制NOx和Cox的排放和进一步提高换热效率以及发动机的效率提供参考.【期刊名称】《南京工程学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(015)004【总页数】5页(P54-58)【关键词】斯特林发动机;天然气;数值模拟;燃烧室【作者】张锋;孙旺生【作者单位】陕西省陕西科技大学机电工程学院,陕西西安710021;陕西省陕西科技大学机电工程学院,陕西西安710021【正文语种】中文【中图分类】TK124目前,天然气和传统的化石燃料相比越来越受到关注.随着氮氧化物排量增加,环保问题显得尤为突出,天然气属于清洁能源且储存量高,成为当前最有前景的新能源之一.我国目前需要发展多种可替代清洁能源,天然气的有效利用可以降低氮氧化物排放问题给环境带来的影响．斯特林发动机以天然气作为燃料,代替早期的燃油[1-2]．天然气在燃烧室燃烧释放的化学能通过动力转化成为电能,实现对峰值发电的补充,有着良好的经济效益．本文用软件ANSYS14.0对斯特林发动机天然气扩散燃烧进行二维数值模拟,获得了不同过量空气系数、预空温度对斯特林发动机燃烧室[3-4]的燃烧特性影响.对天然气在斯特林发动机燃烧室中扩散燃烧进行数值模拟,得到烟气的流场分布、燃烧室的温度场分布以及NOx、COx的浓度场分布,为燃烧室的结构设计、优化和提高换热效率以及降低排放提供参考．1 斯特林发动机燃烧室图1 燃烧室模型图图2 火焰筒模型斯特林发动机是一种外燃式发动机[5-6],其燃烧室对于燃料的要求较低．燃料的供给方便．燃烧室工作过程中温度和流量容易控制调节．斯特林发动机的主要部件有冷却器、加热器、燃烧室、回热器等，其中燃烧室是重要的组成部分之一．燃烧室燃烧性能的好坏直接影响斯特林发动机整机的运行效率．外燃式斯特林发动机和内燃机燃烧室相比，具有体积小、结构紧凑、燃烧安全充分等特点．如图1所示，燃烧室结构包括火焰筒、燃气喷嘴、点火装置以及换热器等,其主要过程是一定旋流度空气从火焰筒头部喷嘴喷入并与燃气混合,形成可燃的混合流体进入火焰筒主燃区进行剧烈燃烧反应(见图2),从而顺利将燃烧产生的化学能转化为加热器的热能．2 数学模型发动机燃烧模拟用到的基本方程主要有组分输运与化学反应能量方程、能量守恒方程[7-8]以及质量守恒方程等．考虑到计算过程复杂度和计算精度的要求,本文采用Relizable的k-epsilon模型,在工程实例中经常使用的是k-epsilon模型模拟扩散火焰燃烧过程,扩散火焰燃烧为湍流燃烧,relizable的k-epsilon模型容易收敛且模拟[9]出的结果比较精确．本文采用的EDU模型适合于湍流扩散火焰模拟,该模型用概率密度函数EDU来考虑湍流效应，主要通过火焰面方法或化学平衡计算来处理．目前ANSYS Fluent提供NOx模型主要有温度型、快速型和燃料型三种,天然气[11]扩散燃烧氮氧化物产生的主要方式是温度型和快速型．燃烧过程热辐射模型采用P1模型,其主要适合解决大面积辐射计算．燃气扩散燃烧之后的主要产物是二氧化碳和水，为主要辐射成分．3 计算域以及边界条件图3 燃烧室计算域图3为斯特林发动机燃烧室的计算域,空气经过空气预热器之后通过旋流器进入火焰筒,混合燃气在火焰筒头部开始扩散燃烧,旋流器安装于火焰筒头部,其主要目的是产生一定的旋流度促进燃气和空气均匀混合、稳定火焰并保证混合流体充分燃烧,燃烧室尺寸为φ108 cm×43 cm,燃料喷口直径为φ10 cm．边界条件设定:采用速度进口50 m/s,壁面温度常温300 K,采用压力出口,出口背压给定0 Pa．4 试验与分析4.1 预空温度的影响图4 最高温度随预空温度变化曲线由图4可知，取温度区间0～1 200 K,随着预空温度的升高,燃烧室的最高温度上升至2 700 K,这限制了燃烧室结构材料的使用.从燃烧室整体的燃烧温度场分布来看,同时考虑到预空温度过高带来的成本费用,预空温度以400 K为宜．空气预热温度对于整个燃烧室的燃烧温度场和燃烧最高温度有重要的影响．本文利用燃烧产生的高温烟气余热,通过空气预热器对空气进行预热,实现节能减排作用．4.2 过量空气系数的影响图5 氮氧化物随过量空气系数变化曲线如图5所示,氮氧化物受过量空气系数的影响较大,随着过量空气系数的不断增大,氮氧化物的生成量不断增加；当过量空气系数增大到1附近时氮氧化物生成量到达最高点.其主要原因是：燃烧初始阶段,较高浓度的天然气和氧气混合燃烧生成大量氮氧化物；随着过量空气系数的进一步增大和燃气扩散浓度降低,低温空气的增多导致燃烧流畅温度下降,氮氧化物的排放量随之降低．4.3 斯特林燃烧室数值模拟对于上述边界条件以及相关参数进行优化,选定优化工况下边界条件(见表1)进行模拟．表1 边界条件参数边界条件预空温度/K壁面温度/K出口背压过量空气系数湍流度结果40030000.50.14.3.1 速度场图6 燃烧室速度图如图6所示,斯特林发动机燃烧室工作时,燃料由燃烧室中间的燃气喷嘴喷入,入口速度50 m/s,空气通过旋流器后具有一定旋流强度,由火焰筒头部空气喷嘴喷入火焰筒内部,入口速度为0.5 m/s;空气和天然气混合扩散燃烧,沿着火焰筒轴向距离0～0.4 m燃烧过程速度急剧下降,从而在火焰筒头部产生局部负压区,出现短暂的回流区现象,有利于燃气和空气混合.燃烧开始阶段形成回流区,回流速度大小与轴向速度分布有关．燃气入口速度由50 m/s降低至30 m/s,空气入口速度由0.5 m/s增加到10 m/s,见图6,轴向距离0.7～0.8 m.轴向距离0.8 m处速度达到最小值6.53 m/s,主要原因是燃烧器尾部出现局部涡流,其中,流动方向沿着轴向回流速度最大,在接近火焰筒底部的过程中速度达到最低,这是回流和补燃孔空气相互作用的结果.从速度为最低值的点到燃料喷管底部的这段距离为引射空气吹开高温燃气的距离,主要起到冷却作用．4.3.2 压力场图7为燃烧室的压力分布图,其中混合燃气流压力在0.2～0.3 m处沿着轴向急剧上升,0.3 m处达到最大值18.5 Pa,进口处压力为正,沿着轴向方向压力出现起伏,其主要原因是冷却孔和补燃孔气流的影响造成的；中间轴向距离0.4 m处出现低压区;接近燃烧器底部出现局部负压,其中末端形成的负压区面积较大,这是由于燃烧在这里最为剧烈,温度达到最高而形成一定的真空度,周围燃气和空气进行填充的同时产生局部涡流现象．图7 燃烧室压力图图8 燃烧室温度图4.3.3 温度场图8为燃烧室温度分布图,燃烧室轴向距离0～0.3 m段温度分布比较均匀,燃烧比较充分,说明燃烧点火稳定属于火焰面混合区;燃烧室轴向距离0.4 m处出现回流,这是由于燃气和空气开始混合造成的,同时起到稳定火焰作用；末端冷却空气进入，出现涡流高温区.图8中数据表明:燃烧室温度在1 500 K以上的面积达到70 %以上,为避免局部过热,可以通过增大过量空气系数或者燃料稀薄燃烧实现．4.3.4 NOx以及COx图9为火焰筒中心截面NOx的分布,图10为火焰筒中心截面CO2的分布,污染物排放量主要受燃烧温度和过量空气系数的影响．燃烧室火焰筒头部区域出现NO 和CO2排量呈上升趋势,分别在燃烧室轴向距离0.5 m和0.62 m达到第一次峰值3.63×10-7μmol/mL和6.88×10-3μmol/mL,其主要原因是燃烧开始阶段燃气浓度较高,混合空气中氧气和可燃气在火焰锋面上发生剧烈反应，产生氮氧化物和碳氧化物;CO2和H2O等产物不再参与化学反应,NO和CO2由于浓度差沿着中心线位置进行扩散．CO2的生成量在火焰筒中心区域较大,火焰筒轴向距离0.6～0.8 m 处由于补燃孔空气含量的增加,不完全燃烧下降导致产生CO2生成量增加,火焰筒轴向距离0.8～0.9 m段氮氧化物含量减少,说明在燃烧过程中采用补燃孔方式可以进一步抑制NO和CO2生成．图9 NO图图10 CO2图5 结语1) 燃烧过程中沿着火焰筒轴向距离0～0.4 m段速度急剧下降,从而在火焰筒头部出现负压区,产生回流区现象,有利于燃气和空气混合,同时确保火焰稳定燃烧．2) 扩散火焰燃烧所产生的1 500 K以上高温区域比例达到70 %以上．3) 预空温度对于燃烧室温度场的影响很大,燃烧室的最高温度随着预空温度的增大而升高．预空温度400 K为宜,最大值达到2 700 K．4) 燃烧室的氮氧化物排量随着过量空气系数的增大先升高后减小,在过量空气系数λ=1附近达到最大值,抑制排放可以采用增大过量空气系数以及采用补燃孔方式的方式．参考文献:【相关文献】[1] 胡伟,孙海英,潘卫明.基于斯特林发动机燃烧室的高温温度场构建方法研究[J].柴油机,2011,33(3):38-41.[2] HU Wei, SUN Hai-ying, PAN Wei-ming. The study based on Stirling engine combustion chamber on construction method of high temperature field[J]. Mechanical Transmission, 2011, 33(3):38-41.[3] TAVAKOLPOUR-SALEH A R, ZARE S,OMIDVAR A. Applying perturbation technique to analysis of a free piston Stirling engine possessing nonlinear springs[J].Applied Energy,2016,183:526-541.[4] LI Tie,SONG Xian-ge,GUI Xiao-hong. Development and test of combustion chamber for Stirling engine heated by natural gas[J]. Journal of Thermal Science,2014(2):196-201.[5] WANG Kai, DUBEY S, DUAN Fei. A transient one-dimensional numerical model for kinetic Stirling engine[J]. Applied Energy,2016,183:775-790.[6] ALFARAWI S,AL-DADAH R,MAHMOUD S. Influence of phase angle and dead volume on gamma-type Stirling engine power using cfd simulation[J]. Energy Conversion and Management,2016,124:130-140[7] 汪海贵,朱辰元,薛飞.斯特林发动机中天然气扩散燃烧的数值模拟[J].柴油机,2011,33(3):38-41.[8] AKSOY F,SOLMAZ H, KARABULUT H. A thermodynamic approach to compare the performance of rhombic-drive and crank-drive mechanisms for a beta-type Stirling engine[J]. Applied Thermal Engineering,2016,93:359-367.[9] POURFAYAZ F,BIDI M, HOSSEINZADE H. Optimization of powered Stirling heat engine with finite speed thermodynamics[J]. Energy Conversion and Management,2016,108:96-105.[10] HOOSHANG M, ASKARI M R,ALIZADEHNIA S. Dynamic response simulation and experiment for gamma-type Stirling engine[J]. Renewable Energy,2016,86:192-205. [11] COLMENARSANTOS A, ZARZUELOPUCH G, BORGEDIEZ D.Thermodynamic and exergoeconomic analysis of energy recovery system of biogas from a wastewater treatment plant and use in a Stirling engine[J]. Renewable Energy,2016,88:171-184.。

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０引言
在某型斯特林发动机的试验研究过程中，需要测量燃烧室内挡焰板区域的温度。由于燃烧室内高
靠性，尝试采用傅立叶导热理论与绝热材料的导热率等物性参数相结合的方法，用接触式测量手段，
通过间接方法，建立起这一区域的温度分布曲线。
Ｈｕｅ，Ｓｉｉ，Ｐａｅｍｉ，ＧｕＧｅｘｉｇＷｉｕｎＨａｙｎｇｎＷｉｎｇｎａｎ
（．ＳａｇａＭｒｅＤｅｅＥｇｅＲｓａｃｎｔｕｅｈｎｈｉ；１ｈｎｈｉａｎｉｓｌｎｉｅｅｒｈＩｓｔｔ，Ｓａｇａ０８ｉｎｉ２１０１２ｈｎｈｉｃＰｗｒＬｄ，Ｓａｇａ０２３．ＳａｇａＭｉｏｏｅｓｔ．ｈｎｈｉ１０）ｒ２
ＡｂｓｒｃｔＡｎ — ｉｎｉｎｌｔｍｐｒｔｒｉｌａｕｅｎｓｐｏｏｅｏｈｕｌｆｌｃｌｈｇｅ — ｔａ：ｏｅｄｍｅｓｏａｅｅａｕｅｆｅｄｍｅｓｒｍｅｔｉｒｐｓｄｆｒｔｅｂｉｄｏｏａｉｈｔｒｎ
素限制的问题，提出了一种基于傅立叶导热理论的一维温度场分布规律，构建了某型斯特林发动
机燃烧室内局部高温区域的一维温度场。试验验证表明，预测值与实测值的最大误差为１５，．％
有效解决了斯特林发动机燃烧室内高温测量问题。该测温方法也可应用到其它高温、复杂环境下
ｌｍｓａｅｓｌｅ．Ｔｈｓｍｅｈｄｃｕｄａｓｅｕｓｄｉｔｅｇｔｍｐｅａｕｅａｄｃｍｐｅｎｉｏｍｅｔｆｒｅｒｏｖｄｉｔｏｏｌｌｏｂｅｎｏｈｒｈｉｈ—ｅｒｔｒｎｏｌｘｅｖｒｎｎｏ
经试验验证，这一方法很好地解决了测取该区域温
温、高压和还原性气体的影响，一般的接触式测温方式受到热电偶材料、成本和布置方式的限制，难以满足在如此复杂条件下的温度测量要求。目前还
ｏ — ｉｎｓｏａｎｅｎｌｔｍｐｒｔｅｍｅｓｒｍｅｔｎｅｄｍｅｉｎｌｉｔｒａｅｅａｕｒａｕｅｎ．
Ｋｙｒｓ：Ｓｉｉｇｅｇｎ；ｃｍｂｓｏｈｍｂｒｅｅａｕｅｆｌｅｗｏｄｔｌｎｉｅｒｎｏｕｔｎｃａｅ；ｔｍｐｒｔｒｅｄ；ｍｅｓｒｍｅｔｉｉａｕｅｎ
第３３卷（０１第３期２１）
柴油机
ＤｉｓｌＥｎｉｅｅｅｇｎ
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基于斯特林发动机燃烧室的高温温度场构建方法研究
胡伟，孙海英，潘卫明，顾根香（．七一一研究所，上海２１０；２１０１８．上海齐耀动力技术有限公司，上海２１０）０２３摘要：针对高温高压、狭小空间里温度直接测量受到热电偶材料、成本和布置方式等一系列因
ｐｒｔｒｉｔｂｔｏｆｔｅｃｍｂｓｉｎｃａｅｎａＳｉｌｎｉｅ，ｉｒｅｏｓｌｅｔｅｐｏｌｍｈｔｉｅａｕｅｄｓｒｕｉｎｏｈｏｕｔｈｍｂｒｉｔｒｉｅｇｎｉｏｎｇｎｏｄｒｔｏｖｈｒｂｅｔａｎｓｃｉｈ—ｅｐｒｔｒｕｈａｈｇｔｍｅａｕｅ，ｈｇｐｅｓｒｎｒｏｓａｅ，ｄｉｅｔｔｍｐｒｔｒｅｓｒｍｅｔｍａｅｔｔｅｉｈ— ｒｓｕｅａｄｎａｒｗｐｃｒｃｅｅａｕｅｍａｕｅｎｙｍｅｈｌｍｉａｉｎｆｔｅｍｏｏｐｅｍａｅａ．ｃｓｎａｏｔｉｔｔｏｓｏｈｒｃｕｌｔｒ１ｏｔａｄｌｙｕ．Ｔｈｅｕｔｈｗｈｔｔｅｌｒｅｔｅｒｒｉ．ｉｅｒｓｌｓｓｏｔａｈａｇｓｒｏｓ１５％ｂ — ｅｔｅｈｈｏｅｉａｒｄｃｉｎａｈｘｅｉｎａｅｔｒｓｔｗｅｎｔｅｔｅｒｔｌｐｅｉｔｏｎｄｔｅｅｐｒｍｅｔｌｔｓｅｕｌ，ｗｈｃａｓｔｅａｖｎｉｎｄｐｒｂ— ｃｉｈｍｅｎｈｂｏｅｍｅｔｏｅｏ
的一燃烧室；温度场；测量中图分类号：Ｔ５；Ｔ３１ＫＫ１文献标识码：Ａ文章编号：１０ — ３７２１）３— ０７— ５０１４５（０１００３０
ＳｕｄｎｇｍｐｒｔｅＦｉｌｔｙｏＨｉｈＴｅｅａｕｒｅｄＢｕｉｄｎｇｉｔｌｉｎｈｅＣｏｂｔｏｍｕｓｉｎＣｈａｂｒｏｔｒｉｇＥｎｇｎｓｍｅｆＳｉｌｎｉｅ