● 摘要
斯特林发动机由于其高的热功转化效率、良好的环境特性和多种能源适应性三大特点而备受瞩目。经典的热力学分析方法虽然给出了建立在对多种因素进行理想化处理基础上的一系列方程，但是难以考察流体的物性、阻力和传热特性，以及系统的非线性等因素的影响。振荡流及其换热过程是斯特林发动机中的典型物理过程，发动机设计时大多基于传统的单向稳态流动换热准则方程，设计结果与实际往往偏差较大。本文对振荡流及其换热特性进行研究，旨在探求影响因素与振荡流流动损失和传热性能间的关系以及定性定量评价方法。本文的具体研究工作包括以下几方面：（1）从不可压粘性流体非定常流动的一般控制方程出发，推导了描述管内振荡流及其换热的相似准则。运用复分析法理论分析了圆直管内完全发展层流振荡流，获得了速度分布、壁面剪切应力和轴向压力梯度的解析解，并验证了“速度环”效应。（2）对圆直管内振荡流流动问题进行了数值模拟研究，结果表明，层流振荡流壁面摩擦系数较稳态流动增大；在间隙性湍流状态下，循环加速初始相位的流动具有层流特性，在加速过程中逐渐转捩至湍流状态并持续至流动转向，而处于湍流时的振荡流，其流动损失符合稳态湍流的变化规律。通过对计算结果的非线性拟合，获得了表现振荡流瞬态特性的轴向平均摩擦系数和表现振荡流周期平均特性的轴向循环平均摩擦系数关系式。（3）根据管内速度分布沿管轴向的变化情况对圆直管内振荡流进口效应进行了数值分析，结果显示层流振荡流进口段长度与无量纲流体位移振幅A0和运动雷诺数Re相关，湍流振荡流进口段长度主要由A0决定；振荡流进口效应要比稳态流动时显著减小。根据计算结果，采用Logistic函数拟合得到了振荡流进口段长度的计算关系式。（4）对圆直管内层流振荡导热问题进行了理论分析，得到了牛顿流体和粘弹性流体振荡流强化换热的控制参数，并分析了管内振荡流强化换热机理。研究发现，粘弹性流体振荡流速度增强因子Au和传热强化倍数(κe-κ)/κ均存在共振现象。（5）对圆直管等壁温和等热流边界振荡流对流换热进行了数值模拟和实验研究，通过两种传热模型分析比较了无量纲参数对流换热效果的影响，得到了较一致的结论，并分析了这些参数影响振荡流换热的机理。分析结果还表明，振荡换热都较稳态流动显著增强。通过对计算结果和实验数据的非线性拟合，获得了表现振荡流瞬态传热特性的轴向平均Nu数以及表现振荡流周期平均特性的轴向循环平均Nu数关系式。（6）数值模拟了变截面活塞气缸流和变截面振荡管流，获得了流场结构的周期性变化情况，并理论分析了层流振荡流速度分布对变截面局部损失的影响，结果表明，振荡流局部损失系数介于泊肃叶流与均匀流之间，且与运动雷诺数Re相关。由考虑振荡流速度分布和摩擦损失影响的非定常伯努利方程，推导出了局部损失系数之差Ke-Kc。