臺灣博碩士論文加值系統

本研究提出以市售之柴油引擎，引入加熱器、冷卻器與再生器，且修改曲柄系統，成為一個太陽能α型史特靈引擎之設計。本論文利用FLUENT軟體進行了該引擎之三維單一對稱通道計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)模擬。模式使用RNG k-ε 紊流模式，活塞以附加函數進行動態邊界設定，汽缸採動態網格，再生器則使用能量非平衡模式，即篩網與流體具不同溫度。
針對本研究提出之基本個案以及最佳設計個案，本論文呈現了引擎內部特性之週期變化模擬結果，最佳設計個案之冷卻器帶走較低熱量，引擎以及再生器效率也較佳。利本研究並利用計算流體力學模擬結果，建立了史特靈引擎加熱器、冷卻器與再生器之摩擦因子(friction factor)與納賽數(Nusselt number)關聯式，其回歸相關係數R2皆可達90%以上。這些關聯式是史特靈引擎設計之重要工具。

In a solar desalination project, an alpha type solar Stirling engine is developed from a commercial diesel engine by adding heater, cooler and regenerator as well as modifying crankshaft system. In this thesis, the 3-D Computational Fluid Dynamic (CFD) simulation of a single axi-symmetric channel of the engine is presented. The FLUENT software and the RNG k-ε turbulence model are employed for the simulation. Special treatments are adopted for the simulation, including the piston is defined as a dynamic boundary, the cylinder spaces use dynamic mesh and non-equilibrium model is used for the regenerator, where the screen solid and fluid are different in temperature.
The simulation results reveal that compared to the base design, the optimal design releases less heat from the cooler and has higher efficiencies of engine and regenerator. The CFD simulation results are utilized to develop correlations of friction factor and heat transfer coefficient for each heat exchanger. These correlations are valuable design tools for Stirling engines.

目錄
中文摘要 I
英文摘要 I I
目錄 III
圖目錄 VII
表目錄 XIII
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.1.1 太陽能驅動史特靈引擎之基本原理與發展 1
1.1.2 史特靈引擎之模擬與設計 3
1.2 研究動機與方法 4
1.3 論文組織與架構 5
第二章 文獻回顧 6
2.1 史特靈引擎設計之研究與發展 6
2.2 史特靈引擎之模擬 8
第三章 引擎設計 13
3.1 史特靈引擎基本原理與結構 13
3.2 引擎設計 18
3.2.1 加熱器 18
3.2.2 冷卻器 22
3.2.3 再生器 26
3.2.4 汽缸 29
3.2.5 曲柄系統 31
第四章 計算流體力學模式建立 33
4.1 模擬系統 33
4.2 邊界條件與初始化設定 38
4.3 網格建立 39
4.3.1 流體通道之網格建立 39
4.3.2 金屬板之網格建立 49
4.3.3 汽缸動態網格之建立 51
4.3.4 網格繪製總結 53
4.4 數學模式 54
4.4.1 基本統制方程式 54
4.4.2 再生器篩網結構方程式 58
4.4.3 曲柄動態方程式 62
4.4.4 物理性質與輸送性質 63
4.5 求解方法 65
4.5.1 離散方法 65
4.5.2 速度-壓力耦合方法 66
4.5.3 收斂準則與疊代參數 67
4.5.4 平行運算 68
4.5.5 資料後處理 69
第五章 基本個案之流體力學模擬 70
5.1 整體系統特性分佈 70
5.2 熱交換器特性分析 81
5.2.1. 加熱器 81
5.2.2. 再生器 83
5.2.3. 冷卻器 86
5.3 模式比較 88
第六章 流力及熱傳之關聯式 92
6.1 摩擦因子 92
6.1.1 文獻關聯式 92
6.1.2 摩擦因子模擬結果比較與回歸 112
6.2 熱傳係數關聯式 119
6.2.1 文獻之熱傳係數關聯式 119
6.2.2 熱傳係數模擬結果比較 127
第七章 最佳設計個案之流體力學模擬 140
7.1 最佳設計個案 140
7.2 邊界條件與模擬參數設定 144
7.3 最佳設計個案之模擬結果 145
第八章 結論與建議 149
符號說明 152
參考文獻 157

圖目錄
圖1.1 集光型太陽能史特靈引擎電力系統 2
圖3.1 史特靈循環 15
圖3.2 α型史特靈引擎 17
圖3.3 加熱器流體通道板示意圖 19
圖3.4 加熱器金屬隔板示意圖 19
圖3.5 加熱器流體通道板尺寸 20
圖3.6 加熱器金屬隔板尺寸 21
圖3.7 冷卻器流體通道板示意圖 23
圖3.8 氨冷卻板示意圖 23
圖3.9 冷卻器流體通道板尺寸 24
圖3.10 氨冷卻板尺寸 25
圖3.11 再生器通道示意圖 26
圖3.12 再生器篩網板平行排列 27
圖3.13 再生器篩網板連接處 27
圖3.14 再生器內部尺寸 28
圖3.15 原F3L912之三汽缸 29
圖3.16 修改後之雙汽缸 30
圖3.17 汽缸之尺寸 30
圖3.18 原F3L912之曲柄系統 31
圖3.19 修改後之曲柄系統 32
圖4.1 α型史特靈引擎整體系統 34
圖4.2 史特靈引擎單一通道系統 (a) X-Z平面，(b)Y-Z平面 35
圖4.3 加熱器網格繪製說明之截面 40
圖4.4 加熱器之Surface A 網格 41
圖4.5 加熱器之Surface B 網格 42
圖4.6 加熱器之Surface C 網格 43
圖4.7 冷卻器網格繪製說明之截面 43
圖4.8 冷卻器之Surface D 網格 44
圖4.9 冷卻器之Surface E、F 網格 45
圖4.10 冷卻器以及加熱器彎道網格 45
圖4.11 彎道網格繪製方式 46
圖4.12 再生器網格繪製說明之截面 46
圖4.13 再生器之Surface G 網格 47
圖4.14 再生器之Surface H 網格 48
圖4.15 加熱器流體通道板之網格 49
圖4.16 冷卻器流體通道板之網格 50
圖4.17 汽缸之網格 52
圖4.18 編織狀篩網 60
圖4.19 平行運算示意圖 68
圖5.1 整體系統分段示意圖 70
圖5.2 工作流體體積隨角度之變化 71
圖5.3 工作流體壓力隨角度之變化 72
圖5.4 工作流體雷諾數隨角度之變化 73
圖5.5 工作流體溫度隨角度之變化 74
圖5.6 器壁、金屬篩網與工作流體溫度隨角度之變化 74
圖5.7 器壁熱通量隨角度之變化 75
圖5.8 器壁熱通量與活塞作功隨角度之變化 76
圖5.9 四個角度下之壓力分佈 77
圖5.10 四個角度下之速度分佈 78
圖5.11 四個角度下之工作流體溫度分佈 79
圖5.12 四個角度下之流體雷諾數分佈 80
圖5.13 加熱器工作流體速度分佈 81
圖5.14 加熱器工作流體壓力分佈 82
圖5.15 加熱器工作流體溫度分佈 82
圖5.16 再生器工作流體壓力分佈 83
圖5.17 再生器流體通道與篩網之壓力分佈 83
圖5.18 再生器工作流體速度分佈 84
圖5.19 再生器流體通道與篩網之速度分佈 84
圖5.20 再生器工作流體溫度分佈 85
圖5.21 再生器流體通道與篩網溫度分佈 85
圖5.22 冷卻器工作流體壓力分佈 86
圖5.23 冷卻器工作流體速度分佈 87
圖5.24 冷卻器工作流體溫度分佈 87
圖5.25 CFD模式與二階模式之壓力比較 89
圖5.26 CFD模式與二階模式之雷諾數比較 89
圖5.27 CFD模式與二階模式之溫度比較 90
圖5.28 CFD模式與二階模式之熱通量比較 91
圖6.1 編織狀篩網 94
圖6.2 金屬纖維篩氈篩網 95
圖6.3 單一微通道金屬網片結構 96
圖6.4 兩種大尺寸金屬網片結構示意圖 98
圖6.5 大尺寸金屬網片堆疊示意圖 99
圖6.6 大尺寸金屬網片通道尺寸 99
圖6.7 三種篩網堆疊方式 101
圖6.8 條狀式鰭片通道 105
圖6.9 平板式鰭片通道 106
圖6.10 冷卻器泛寧摩擦因子之比較 113
圖6.11 冷卻器泛寧摩擦因子模擬值與回歸值之比較 114
圖6.12 加熱器泛寧摩擦因子之比較 116
圖6.13 加熱器泛寧摩擦因子模擬值與回歸值之比較 116
圖6.14 再生器泛寧摩擦因子之比較 118
圖6.15 再生器泛寧摩擦因子模擬值與回歸值之比較 118
圖6.16熱交換器普郎特數隨角度之變化 127
圖6.17 冷卻器熱傳係數之比較 129
圖6.18 冷卻器熱傳係數模擬值與回歸值之比較 129
圖6.19冷卻器熱傳係數模擬值與納賽數對雷諾數與普郎特數回歸值之比較 130
圖6.20 加熱器熱傳係數之比較 132
圖6.21 加熱器熱傳係數模擬值與回歸值之比較 135
圖6.22加熱器熱傳係數模擬值與納賽數對雷諾數與普郎特數回歸值之比較 136
圖6.23 再生器熱傳係數比較圖 137
圖6.24 再生器熱傳係數模擬值與回歸值之比較 138
圖6.25再生器熱傳係數模擬值與納賽數對雷諾數與普郎特數回歸值之比較 139
圖7.1 最佳設計個案之模擬系統 (a) X-Z平面，(b) Y-Z平面 141
圖7.2 最佳設計個案與基本個案之壓力比較 145
圖7.3 最佳設計個案與基本個案之雷諾數比較 146
圖7.4 最佳設計個案與基本個案之溫度比較 147
圖7.5 最佳設計個案與基本個案之熱通量比較 147
圖7.6 最佳設計個案與基本個案之累積熱通量比較 148

表目錄
表3.1 各種工作氣體之熱傳特性 16
表4.1 基本個案模擬系統之尺寸 36
表4.2 Gedeon(1996)之編織狀篩網尺寸 60
表4.3 氮氣之物理與輸送性質溫度函數係數 63
表4.4 銅之物理與輸送性質溫度函數係數 64
表4.5 離散方法與鬆弛因子設定 66
表4.6 收斂準則 67
表6.1 Tanaka et al.關聯式實驗用篩網尺寸 93
表6.2 Gedeon and Wood關聯式實驗用編織狀篩網尺寸 94
表6.3 金屬纖維氈篩網尺寸 95
表6.4 單一微通道金屬網片之尺寸 97
表6.5 三種篩網堆疊結構之尺寸 102
表6.6 三種篩網堆疊結構之泛寧摩擦因子-雷諾數數據 103
表6.7 條狀式鰭片通道尺寸 107
表6.8 平板式鰭片通道尺寸 108
表6.9 條狀式鰭片通道之泛寧摩擦因子數據 109
表6.10 平板式鰭片通道之泛寧摩擦因子數據 110
表6.11 鰭片通道泛寧摩擦因子回歸關聯式 111
表6.12 冷卻器泛寧摩擦因子回歸結果 114
表6.13 加熱器泛寧摩擦因子回歸結果 116
表6.14 加熱器泛寧摩擦因子回歸結果 118
表6.15 三種篩網堆疊結構之StPr2/3-Re數據 122
表6.16 鰭片通道之StPr2/3-Re數據 124
表6.17 鰭片通道熱傳係數回歸之關聯式 126
表6.18 冷卻器熱傳係數回歸結果 129
表6.19冷卻器熱傳係數以納賽數對雷諾數與普郎特數回歸之結果 130
表6.20 加熱器之熱傳係數回歸之結果 135
表6.21加熱器熱傳係數以納賽數對雷諾數與普郎特數回歸之結果 135
表6.22 再生器之熱傳係數回歸之結果 138
表6.23再生器熱傳係數以納賽數對雷諾數及普郎特數回歸之結果 138
表7.1 最佳設計個案模擬之對稱系統尺寸 142
表7.2基本個案與最佳設計個案之模擬結果比較 148
表8.1 摩擦因子關聯式回歸結果 150
表8.2 納賽數關聯式回歸結果 150

Beale, W., Holmes, W., Lewis, S., Cheng, E., “Free-Piston Stirling engine-A progress report,” SAE Technical, 730647, 1973.
Brown, B.B., Foust, A.S., Katz, D.L., Schneidewind, R., White, R.R., Unit Operations, Wiley & Sons, New York, 1950.
Chen, N.C.J., Griffin, F.P., A review of Stirling engine mathematical models, Oak Ridge National Laboratory Report, ORNL/CON-135, 1983.
Colebrook, C.F., “Turbulent flow in pipes, with particular reference to the transition region between the smooth and rough pipe laws,” Journal of the International Civil Engineering, 11, 133-156, 1939.
Dittus, F., Boelter, L., “Heat transfer in automobile radiators of the tubular type,” University of California Publications in Engineering, Berkley University Of California Press, 2, 43, 1930.
Dyson, R.W., Wilson, S.D., Tew, R.C., “Review of computational Stirling analysis methods,” NASA/TM-2004-213300, 2004.
Dyson, R.W., Geng, S.M., Tew, R.C., Adelino, M., “Towards fully three-dimensional virtual Stirling convertors for multi-physics analysis and optimization,” Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics , 2, 95-118, 2008.
Fluent, Inc., Fluent UDF Manual version 6.3, Lebanon, NH, 2006.
Fluent, Inc., Fluent User''s Guide version 6.3, Lebanon, NH, 2006.
Gedeon, D., Wood, J.G., Oscillating-flow regenerator test rig: Hardware and theory with derived correlations for screens and felts, NASA/CR-198442, 1996.
Granados, F. J. G., Perez, M.A.S., Ruiz-Hernandez, V., “Thermal model of the Eruodish solar Stirling engine,” Journal of Solar Energy Engineering, 130, 011014-1, 2008.
Hausen, H., Neue Gleichungen fur die Warmeubertragung bei freier und erzwungener Stromung., Allg.Warmetechnik, 9, 75-79 , 1959.
Ibrahim, M., Danila, D., Simon, T., Mantell, S., Sun, L., Gedeon, D., Qiu, S., Gary, W., Kelly, K., McLean, J., A microfabricated segmented-involute-foil regenerator for enhancing reliability and performance of Stirling engines, NASA/CR-215006, 2007.
Ibrahim, M., “2-D CFD simulation of the heat transfer and fluid dynamics in an experimental model of the hot end of a Stirling energy,” Energytech, 2012 IEEE Conference, Cleveland, Ohio.
Kays, W.M., London, A.L., Compact heat exchangers, 2nd Ed., 1964.
Levenspiel, O., Engineering flow and heat exchange, Revised Edition, Plenum Press, 1998.
Mahkamov, K., “An axisymmetric computational fluid dynamics approach to the analysis of the working process of a solar Stirling engine,” Journal of Energy Resources Teachnology, 128, 45-53, 2006.
Mahkamov, K., “Design improvements to a biomass Stirling engine using mathematical analysis and 3D CFD modeling,” Journal of Energy Resources Technology, 2006, 128, 203-215.
Mancini, T.R., Solar-electric dish Stirling system development, Sandia National Laboratories, 1997.
Martini, W.R., Stirling engine design manual, NASA/CR-135382,1987.
Meijer, R.J., The Philips Stirling thermal engine, Thesis, Technische Hogeschool Delft, 1960.
Kongtragool, B., Wongwises, S., “A review of solar-powered Stirling engines and low temperature differential Stirling engines,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, 7, 131-154, 2003.
Reader, G.T., “The marine Stirling engine, Seventeenth Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, 829287, 1732-1737, 1982,.
Reinalter, W., Ulmer, S., Heller, P., Rauch, T., Gineste, J.M., Ferriere, A., Nepveu, F., “Detailed performance analysis of the 10 kW CNRS-PROMES dish/stirling system” Proceedings of the 13th Solar PACES International Symposium, Seville, Spain, 2006.
Rizzo, J.G., The Stirling engine manual, Somerset: Camden Miniature Steam Services, 1997.
Ross, A., Making Stirling engines, 3rd Ed., 2011.
Schock, A., “Stirling Engine Nodal Analysis Program,” Journal of Energy, 2,354-362, 1978.
Tanaka, M., “Flow and heat transfer characteristics of the Stirling engine regenerator in an oscillating flow,” JSME International Journal, Series II, Vol. 33, No. 2, 1990.
Tew, R.C., “Progress of Stirling cycle analysis and loss mechanism characterization,” U.S., Department of Energy, DOE/NASA/50112-67, 1986.
Tew, R.C., Simon, T., Gedeon, D., Ibrahim, M., Rong, W., An initial non-equilibrium porous-media model for CFD simulation of Stirling regenerators , NASA/TM-214391, 2006.
Thombare, S.K., Verma, S.K., “Technological development in the Stirling cycle engines,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, 1-38, 2008.
Timoumi, Y., Tlili, I., Nasrallah, S. B., “Design and performance optimization of GPU-3 Stirling engines,” Energy, 33, 1100-1114, 2008.
Timoumi, Y., Tlili, I., Nasrallah, S. B., “Design and performance optimization of GPU-3 Stirling engines,” Energy, 33, 1100-1114, 2008.
Urieli, I., Rallis, C., Stirling cycle engine Development-A review, Energy Utilization Unit Paper, University of Cape Town, 7-5,1975.
Urieli, I., Berchowitz, D.M., “Stirling Cycle Engine Analysis,” Adam Hilger Ltd., Bristol, 1984.
Walker, G., Stirling engines, Oxford, Clarendon Press, 1981.
Wilson, S.D., Dyson, R.W., Tew, R.C., Ibrahim, M.B., Multi-D CFD modeling of a free-piston Stirling convertor at NASA glenn. , NASA/TM-213351, 2004.
周盈秀.”太陽能驅動史特靈引擎之模擬研究“ 淡江大學碩士論文,2013.