自由活塞斯特林熱氣機(jī)目前，美國Sunpower和Infinia公司為其代表廠商。

動力活塞配氣活塞1相關(guān)專業(yè)自由活塞斯特林熱氣機(jī)目前，美國Sunpower和Infini自由活塞式熱氣機(jī)的特點(diǎn)2相關(guān)專業(yè)自由活塞式熱氣機(jī)的特點(diǎn)2相關(guān)專業(yè)自由活塞熱氣機(jī)的工作原理熱力學(xué)原理如同常規(guī)斯特林熱氣機(jī)；重點(diǎn)在于動力學(xué)與熱力傳熱過程耦合決定系統(tǒng)的模態(tài)與工況。所有類型的自由活塞熱氣機(jī)均要求排除器質(zhì)量要遠(yuǎn)小于動力活塞質(zhì)量。排除器位移活塞位移3相關(guān)專業(yè)自由活塞熱氣機(jī)的工作原理熱力學(xué)原理如同常規(guī)斯特林熱氣機(jī)自由活塞斯特林受熱自激振蕩啟動過程0-1：熱頭受熱至啟動閥值后，工作腔（系統(tǒng)中除背壓腔以外的氣體容積）壓力能夠克服系統(tǒng)靜態(tài)阻尼，配氣活塞與動力活塞在壓差的作用下朝背壓腔運(yùn)動；1-2：配氣活塞質(zhì)量輕，加速度大，動力活塞質(zhì)量重，加速度??；在一起朝背壓腔運(yùn)動的過程中，兩動子產(chǎn)生相對位移，使壓縮腔容積減小，越來越多的工質(zhì)通過回?zé)崞髁飨蚺蛎浨槐患訜?，使工作腔壓力進(jìn)一步升高；2-4：配氣活塞追上動力活塞，并緊貼著一起朝背壓腔運(yùn)動（不再有工質(zhì)進(jìn)入膨脹腔）；工作腔壓力達(dá)到峰值后由于容積的進(jìn)一步擴(kuò)大而降壓；4點(diǎn)：工作腔壓力等于背壓腔，兩動力由于慣性速度方向仍朝向背壓腔，但開始減速。4-5：兩動子靠著一起朝背壓腔運(yùn)動，工作腔容積進(jìn)一步增大，導(dǎo)致壓力進(jìn)一步降低；5點(diǎn)：配氣活塞速度減為0，并與繼續(xù)朝背壓腔運(yùn)動的動力活塞分離。5-6：配氣活塞在壓差作用下朝熱頭運(yùn)動，使膨脹腔工質(zhì)流向壓縮腔，使得工作腔壓力進(jìn)一步降低，其自身在擴(kuò)大的壓差下迅速運(yùn)動至上止點(diǎn)，并保持狀態(tài)至8點(diǎn)（工作腔壓力開始大于背壓腔）；

動力活塞在“與慣性力反向的壓差”作用下減速為0，并開始反向運(yùn)動（朝熱頭方向）。6-8：動力活塞壓縮工作腔容積使工作腔壓力升高，至8點(diǎn)，工作腔壓力再一次等于背壓腔；8-9：動力活塞開始減速運(yùn)動，進(jìn)一步減小工作腔容積，工作腔壓力進(jìn)一步上升，期間達(dá)到運(yùn)

動止點(diǎn)并開始朝背壓腔運(yùn)動；

配氣活塞在壓差作用下開始加速向背壓腔運(yùn)動，并使部分工作進(jìn)入熱腔進(jìn)一步增大工作腔

壓力；9-10：配氣活塞追上動力活塞，此后過程與上述2-4后相同。

動力活塞的運(yùn)動軌跡要規(guī)整一些且在常溫區(qū)工作，故多數(shù)原動機(jī)都是使用動力活塞對外輸出功（電磁單位位于排除器也會大幅增加其質(zhì)量）。4相關(guān)專業(yè)自由活塞斯特林受熱自激振蕩啟動過程0-1：熱頭受熱至啟動閥值自由活塞熱氣機(jī)性能仿真熱力—動力—負(fù)載之間存在強(qiáng)耦合。5相關(guān)專業(yè)自由活塞熱氣機(jī)性能仿真熱力—動力—負(fù)載之間存在強(qiáng)耦合。5相關(guān)TheRe-1000FPSEmanufacturedbySunpower,Inc.基于經(jīng)驗參數(shù)的模型Re-1000enginedimensionsandphysicalparameters6相關(guān)專業(yè)TheRe-1000FPSEmanufactured7相關(guān)專業(yè)7相關(guān)專業(yè)compressionVariablevolumesandpressuresaretreatedasdependentvariables.系統(tǒng)中的參量總數(shù)包括各腔的P,V,m,T及兩振子的位移，模型假設(shè)中已經(jīng)設(shè)定了一部分參量的取值，其余的參量由物理守恒定律及狀態(tài)方程關(guān)聯(lián)。8相關(guān)專業(yè)compressionVariablevolumesanThe(1)(2)(3)9相關(guān)專業(yè)The(1)9相關(guān)專業(yè)(4)(5)(6)(7)10相關(guān)專業(yè)(4)(6)10相關(guān)專業(yè)(8)(9)11相關(guān)專業(yè)(8)11相關(guān)專業(yè)12相關(guān)專業(yè)12相關(guān)專業(yè)方程組(1)-(9)可以采用龍格-庫塔法進(jìn)行數(shù)值積分求解，在收斂的結(jié)果下，

系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換滿足約束：熱功產(chǎn)出量=負(fù)載吸收量

但注意：并非所有參數(shù)組合下，系統(tǒng)均能穩(wěn)定工作。負(fù)載特性機(jī)器熱功轉(zhuǎn)換特性13相關(guān)專業(yè)方程組(1)-(9)可以采用龍格-庫塔法進(jìn)行數(shù)值積分求解，在FPSE自激振蕩頻率預(yù)測模型與外激勵的制冷機(jī)及機(jī)械傳動熱氣機(jī)不同，自由活塞熱氣機(jī)的運(yùn)行頻率由系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)與負(fù)載參數(shù)共同決定，頻域特性顯著。

健壯的系統(tǒng)設(shè)計方法應(yīng)將運(yùn)行頻率作為設(shè)計參數(shù)而非后驗參數(shù)。因此，頻率預(yù)測應(yīng)作為先驗知識參與設(shè)計校正過程。技術(shù)路線：首先關(guān)注動子位移建立動力學(xué)模型，然后將動力學(xué)方程中的氣體力及流阻表示成動子位移的函數(shù)；最后在頻域中整理動力學(xué)方程得到工作頻率。14相關(guān)專業(yè)FPSE自激振蕩頻率預(yù)測模型與外激勵的制冷機(jī)及機(jī)械傳動熱氣機(jī)第一步：動力學(xué)方程基于設(shè)定的正方向模型框架15相關(guān)專業(yè)第一步：動力學(xué)方程基于設(shè)定的正方向模型框架15相關(guān)專業(yè)第二步：線性映射因氣體彈簧在膨脹及壓縮半周期中與壁面進(jìn)行的熱交換不對稱，會導(dǎo)致弛豫損失。得到考慮氣體彈簧阻尼的動力學(xué)方程引入剛度系數(shù)SC為壓縮腔；b,d為氣體彈簧腔；由導(dǎo)出S16相關(guān)專業(yè)第二步：線性映射因氣體彈簧在膨脹及壓縮半周期中與壁面進(jìn)行的熱合并阻尼項，得到通項形式的動力學(xué)方程組由氣體彈簧阻尼及導(dǎo)出D

不同的機(jī)器結(jié)構(gòu)，不同的參數(shù)下S、D不同。用于發(fā)電的自由活塞熱氣機(jī)的外殼振動很?。ㄍㄟ^使殼體本征頻率遠(yuǎn)小于工作頻率來保證）進(jìn)一步引入阻尼系數(shù)D17相關(guān)專業(yè)合并阻尼項，第三步：在頻域中處理動力學(xué)方程整理上述齊次方程組，消除振幅，得到特征方程：由特征方程的實(shí)、虛部為0得到運(yùn)行頻率計算公式：即熱機(jī)的工作頻率由剛度系數(shù)與阻尼系數(shù)共同決定，負(fù)載的特性由Dpp表征（即負(fù)載也耦合決定工作頻率）。兩動子位移相角差：18相關(guān)專業(yè)第三步：在頻域中處理動力學(xué)方程整理上述齊次方程組，消除振幅，如何計算S和D？（）剛度S：19相關(guān)專業(yè)如何計算S和D？（）剛度S：至此，所有壓力均整理成期望的數(shù)學(xué)形式，S可導(dǎo)出注：氣體彈簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計決定

其壓力表達(dá)式。阻尼D：典型工況下，換熱器處于湍流區(qū)，回?zé)崞魈幱趯恿鲄^(qū)。20相關(guān)專業(yè)至此，所有壓力均整理成期望的數(shù)學(xué)形式，S可導(dǎo)出注：氣體彈簧的單位截面積流動對應(yīng)的粘性耗散：單位面積對應(yīng)的等效線性阻尼耗散：進(jìn)一步確定各換熱器的U及u定量21相關(guān)專業(yè)單位截面積流動對應(yīng)的粘性耗散：單位面積對應(yīng)的等效線性阻尼耗散單位截面積流動對應(yīng)的粘性耗散：單位截面積對應(yīng)的等效線性阻尼耗散：接下來，再進(jìn)一步確定各換熱器的U及u定量等效線性阻尼22相關(guān)專業(yè)單位截面積流動對應(yīng)的粘性耗散：單位截面積對應(yīng)的等效線性阻尼耗將換熱器流動視為整體，不考慮壓縮性在忽略Xc的設(shè)定下，由矢量運(yùn)算得到兩速度夾角23相關(guān)專業(yè)將換熱器流動視為整體，不考慮壓縮性在忽略Xc的設(shè)定下，由矢量對照