牛海杰 董金钟 周建华

(北京航空航天大学能源与动力工程学院 北京100191)

1 引言

斯特林发动机是英国人斯特林1816年发明的，它是一种外部供热的闭式循环回热式发动机，是除蒸汽机和内燃机之外的又一类往复式动力机械［1］。随着能源危机与环境污染问题的日益严重，斯特林发动机凭借其自身燃料多样性、热效率高、污染小、噪声低等优势逐渐被研究者和人们所关注。

目前对斯特林发动机进行模拟计算的方法主要是循环分析法，施密特等温分析法［2］在一些假设的基础上通过理论的推导得出解析解。绝热分析法假设压缩腔和膨胀腔的壁面在循环中是绝热的，这与实际循环更进了一步。三阶节点分析法［3］作了一维流动假设，采用控制容积或节点沿工质流动方向细分每个腔体，在每个节点处工质的传热和气体动力学过程用质量、动量和能量守恒的微分方程进行描述。节点分析法与等温分析法和绝热分析法相比，更为接近实际循环，成为目前对斯特林发动机进行模拟研究比较理想的方法。

本文对三阶节点分析法进行了阐述与研究，编写了节点分析法的计算程序，以GPU－3斯特林发动机为例对其进行了模拟计算，计算结果与实验结果进行了比较。并且在节点分析法的基础上，对斯特林发动机传动机构参数和热交换器的结构参数进行了优化设计。

2 斯特林发动机节点分析法

2.1 三阶节点分析法模型

斯特林发动机循环系统由压缩腔、冷却器、回热器、加热器和膨胀腔组成，由于回热器内工质的温度变化很大，为了对其进行详细的模拟，将回热器划分为两个体积相等的腔体，模型图如图1。……