高频振荡流中大温差各向异性回热器的描述方法及大功率热气机CFD仿真研究

依据摩擦因子f和Nu准则数的回热器传统分析方法在处理高频工况时暴露其局限性，无法解释压力相移和热流-温差相移现象。为完善和发展可压缩振荡流的基本理论，本研究立足于发展基于无量纲数分析的等效测试方法，将之应用于大温差回热器流阻及孔级换热强度的测量。在此基础上，结合孔级CFD为新的REV模型（考虑交变热弥散、可压缩、气-固复杂换热特征）提供模型封闭的物理信息；另一方面，基于REV的大尺度CFD模拟又可以为孔级CFD提供计算域尺度。这种互动式的两尺度模拟方法能够提供从孔级到系统级的物理图像，据此发展的整机CFD仿真程序能实现对苛刻环境回热器的性能预测及整机性能优化。本研究所建立的实验方法、模型及参数确定方法可为大功率斯特林、脉管装置的结构创新和指标突破提供理论支持。

回热器传统分析方法在高频、大温差、振荡流工况下有其局限性，不能表征回热器端部压力相移及热流-温差相移等现象。本项目力图为交变流回热器研究提供可靠的、真实的高频试验环境，以实测数据与CFD软测量相交互的方法研究回热器特性。为此，历经3代改型自主开发出自由活塞式斯特林发电机及制冷机；以之为基础的试验台能够实现的回热器端部温差达到500摄氏度，振荡频率达到50Hz,压比达到1.4。试验台开发期间完成的专题研究包括：动磁直线电机设计与制造工艺、板簧设计及制造工艺、热机自激振荡时域预测方法、精密零件的小阻尼装配方法等。CFD研究方面，基于自编UDF完成了对在研β型自由活塞式斯特林发动机的二维整机模拟，主要结论包括：膨胀腔与压缩腔中密度分布均匀，流道非连续区域存在涡流耗散；回热器是最主要的压降组件，流动换热特征高度复杂，其特征温度在周期内非正弦变化，压力分布在交变周期内沿轴向非单调变化（有别于单向流）。经实验验证模拟值与实测值偏差小于10%，表明所采用的模拟方法能应用于装置参数的寻优及受热交变流的定量分析。