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 型史特靈引擎平行板堆疊式
熱交換器之三維數值研究
Student : Shu-Wei Chang
Advisor: Dr. Chang-Da Wen
Dec, 2013

2. 大綱
研究動機
 文獻回顧
 三維物理模型
 數值模擬方法
 可能遭遇之困難
 未來工作
 預期貢獻


3. 研究動機

近年來，化石燃料的過度使用，造成能源上的短
缺，以及燃燒化石燃料產生汙染。

史特靈引擎屬於外燃機，可使用任何燃料，可連續
燃燒，降低廢氣汙染，擁有較高的效率。

結構簡單，部汽閥、正時點火等相關零件，潤滑以
及軸承可避免設計在高溫部分，適用於長時間運
轉。

不使用爆燃和高速噴流，運轉時噪音低、安全性
高。

4. 研究動機

為增加效率，必須透過引擎本身高溫加熱工作流
體，耐高溫、剛性大、抗氧化腐蝕、導熱性高、不
易老化的材質不易取得。

需要高壓的工作流體，有些機型的史特靈引擎不容
易長時間密封高壓的工作流體。

提高效率有以下方式
提高加熱頭溫度傳遞(降低熱阻)
 提高熱交換器效能
 提高熱區溫度


5. 文獻回顧

Kurzweg為首位將兩平板、圓管上下游加入討論範
圍，並解出一解析解。

Ms. Saundra Gage將Kurzweg解析解作簡化，並且在
圓管往復流中模擬與實驗，與解析解結果相吻合。

T.S. Zhao和P. Cheng在往復流模擬、實驗當中，得到
一方程式，用以判定往復流場為層流或紊流，以及
得到往復流入口長度。

6. 文獻回顧

目前史特靈熱交換器研究大部分仍以二維座標為
主，三維往復流的研究較少。

目前研究將上下游加入討論範圍仍較少，三維流場
分析上，將上下流加入討論範圍的研究更是少之又
少。

能夠更完整的分析熱交換器整體流場，尤其是兩平
板間出入口交接處，能夠將出入口流場加入討論範
圍。

7. 文獻回顧

Expansion region
Displacer
Heater
Regenerator
Cooler
Compression region
Power piston

8. 文獻回顧
(c)
(a)
(b)
Lh
Lp
Lp
Simulation Domain
(d)
(f)
y
(e)
x
Ht
Hg
H
(g)

9. 文獻回顧

10. 文獻回顧

模型基本假設







暫態層流模擬(Transient laminar condition)
忽略動力影響(Gravity effect is negligible)
二維卡式座標(2-D Cartesian coordinate system)
不可壓縮流(Incompressible flow)
工作流體性質維定值(Constant thermal properties)
忽略自然對流以及輻射影響(Natural convection and
radiation are both negligible)
在真實史特靈引擎中，活塞大多近似時間正弦函數
的方式運動。

11. 文獻回顧

邊界條件

左邊界
 Velocity

0    180
u  u m ax sin( t )、v  0

181    360





Continuous flow condition (fully development condition)
Temperature



0    180

T  Tleft , 0  180 



181    360

Fully development condition



12. 文獻回顧

邊界條件

右邊界
 Velocity


Continuous flow condition (fully development condition)

181    360


0    180
u  u m ax sin( t )、v  0




Temperature

0    180

Fully development condition

181    360

T  Tright , 180  , cross  sec tional




average

13. 文獻回顧

邊界條件

上、下邊界


Symmetry boundary condition
牆邊界

Velocity


u  0、 v  0
Temperature

T  T w all

14. 三維物理模型

15. 三維物理模型

模型基本假設







暫態層流模擬(Transient laminar condition)
忽略動力影響(Gravity effect is negligible)
三維卡式座標(3-D Cartesian coordinate system)
不可壓縮流(Incompressible flow)
工作流體性質維定值(Constant thermal properties)
忽略自然對流以及輻射影響(Natural convection and
radiation are both negligible)
基本假設與二維假設條件相同

16. 三維物理模型

待決定之邊界
絕熱邊界?
 定溫邊界?


17. 數值模擬方法

此研究所使用模擬軟體為Ansys Fluent 14.0

將前處理、分析運算、後處理等作業做一統整，但仍保
留資料以供所需軟體做讀取，簡化操作難度，也方便使
用者進行模擬結果的分析

擁有許多物理模型、運算法以及自訂項目，提供使用者
設定所需模擬環境。

UDF(User Defined Function)供使用者自行撰寫所需環境設
定，例如：邊界條件、工作流體性質、壁面溫度、熱源
等。

18. 數值模擬方法-前處理

模型建立、網格劃分、環境條件設定、工作流體性
質設定等。
SolidWork、ProE、DesignModeler 建立模型
 Ansys Meshing 劃分網格


在突縮突擴部分，細化網格

19. 數值模擬方法-分析運算

主要算法使用SIMPLE法，由Patanlar提出

不對Navier-Stokes方程式求聯立解，而是對動量方程式進
行壓力修正
能量方程式對流項使用二階中央差分法離散
 速度場使用QUICK法離散


20. 數值模擬方法-後處理

以Tecplot進行後處理作業
再三維中，可取任意切面之資料或整理資料
 進行資料運算，以求得所需平均值等
 輸出整理過後之資料，方便以圖表方式展示
 可展示無因次化後之結果


21. 可能遭遇之困難

DesignModeler、Ansys Meshing、Fluent等軟體操
作，如何設定所需模擬環境、模型，分析模擬完成
資料，輸出圖表以供讀者方便了解，都是需要學習
的地方。

Fluent以殘餘值作為收斂準則，有可能會發生計算參
數以收斂，而殘值無法收斂的情況，必須去了解無
法收斂之原因，格點影響、模型使用不當、邊界設
定不當等，等可能是原因。

此研究首先以Fluent驗證Fortran程式，有可能會發生
結果不相同之情況，必須尋找可能原因，進行修正
或是尋找類似研究，用以佐證設定無誤。

22. 未來工作

完成二維熱交換器模擬研究，以及完成三維情況
下，不同參數之溫度場、速度場模擬，分析紐賽
數、摩擦係數等。

研究各個參數對整體流場、熱傳情況的影響，嘗試
使用動力雷諾數、阻塞比、無因次加熱板長以及三
維尺寸參數，建立紐賽數、摩擦係數修正方程式。

23. 預期貢獻

在未來相關領域中，可依據此修正方程式，進行紐
賽數、摩擦係數最佳化的處理。

可使未來從事相關研究人員，了解各個參數對整體
流場的影響。

增加熱交換器效率，進而提升史特靈引擎整體效
率，更有效利用有限的能源。

24. THANKS FOR YOUR ATTENTION