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系統識別號 U0026-2608201111335900
論文名稱(中文) 自由活塞式史特靈引擎之動態模擬與製作
論文名稱(英文) Dynamic Simulation and Manufacturing of a Free-Piston Stirling Engine
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系碩博士班
系所名稱(英) Department of Aeronautics & Astronautics
學年度 99
學期 2
出版年 100
研究生(中文) 林昱廷
研究生(英文) Yu-Ting Lin
學號 p46984423
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 114頁
口試委員 指導教授-鄭金祥
口試委員-張克勤
口試委員-江雨龍
口試委員-康尚文
中文關鍵字 自由活塞式  史特靈引擎  動態模擬  設計製作 
英文關鍵字 Free-piston  Stirling engine  Dynamic simulation  Design  Manufacturing 
學科別分類
中文摘要 本研究以設計開發自由活塞式史特靈引擎為主軸,針對不同開發試驗所需的設計概念,完成自製的第一型自由活塞式史特靈引擎,再依據第一型原型機提供的試驗設計參數,完成第二型引擎並改善其啟動性且較佳的穩定性。
本研究亦以熱力模式、動力模式、碰撞處理策略三部分組成完整的自由活塞式史特靈引擎的動態模擬。熱力模式中透過Schmidt分析計算壓力。動力模式則是由動力方程式導出並求解速度與位置的方程式。再針對發生碰撞的狀況判別與處理,修正速度與位置。
透過模擬可發現,此型引擎存在特定阻尼區間,具有快速達到穩定狀態的特性。若改變活塞對移氣器的彈性係數比值R_K、或活塞對移氣器的質量比R_M,會伴隨著振幅、週期與達到穩定的時間的改變。而此型引擎存在特定移氣器桿與活塞截面積比值R_A、及初始壓力、熱端溫度範圍,可使穩定振動時壓力變化的範圍隨之改變。
英文摘要 This study is aimed at design and manufacturing of free-piston Stirling engines. Two types of engines, Types 1 and 2, have been developed. Type 1 is developed as a preliminary model for testing the influence of the parameters. And, Type 2 is built as an improved model which is accomplished with better performances in both start-up and steady operating regimes.
This study is also concerned with dynamic simulation of the free-piston Stirling engine by combining thermodynamic model, dynamics model, and collision strategies. Schmidt analysis is used in thermodynamic model for calculating the variation of pressure. The dynamic model is adopted to predict instaneous displacement and velocity of the oscillating components. Then, the obtained predictions of displacement and velocity can be corrected by using the collision strategies.
Results of the numerical simulation show that the engine can rapidly achieve the steady operating regime in a certain parameter range. Amplitude of the oscillation of the moving components, cycle time, and the time needed for reaching the steady operating regime are dependent on the ratio of the stiffnesses of the springs (RK), and the ratio of masses of piston and displacer (RM). In addition, the pressure is varied with the ratio of cross-section area of piston to that of the displacer rod (RA), initial pressure and temperature.
論文目次 摘要 I
ABSTRACT II
誌謝 III
目錄 V
表目錄 VIII
圖目錄 IX
符號索引 XIII
第一章 前言 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 史特靈循環 3
1.3 引擎機構分類 5
1.4 自由活塞式史特靈引擎 7
第二章 機構設計 12
2.1 設計原理 12
2.2 零件設計 15
2.3 原型機組立 18
2.4 測試成果 19
第三章 動態模擬 22
3.1 數學模式的基本假設 22
3.2 熱力模式 23
3.3 動力模式 26
3.3.1 動力模式的通式 29
3.3.2 移氣器位置與速度 31
3.3.3 活塞位置與速度 33
3.4 碰撞處理策略 34
3.4.1 移氣器與加熱頭之間的碰撞 34
3.4.2 移氣器與引擎底座的碰撞 35
3.4.3 活塞與引擎底座的碰撞 35
3.4.4 活塞與移氣器的碰撞 36
3.5 熱力模式、動力模式、碰撞處理策略的整合 37
第四章 結果與討論 38
4.1 阻尼對穩定振動的影響 38
4.2 阻尼差異對穩定振動的影響 39
4.3 彈簧常數比對穩定振動的影響 40
4.4 質量比對穩定振動的影響 41
4.5 截面積比對穩定振動的影響 42
4.6 壓力對穩定振動的影響 44
4.7 加熱溫度差異對穩定振動與壓力變化的影響 45
第五章 結論 47
參考文獻 50
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