斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)閉式循環(huán)系統(tǒng)仿真研究

摘 要：在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)閉式循環(huán)膨脹過程的分析過程中，氣體的熱力學(xué)性能至關(guān)重要。但是對氣體的功耗和氣體溫度變化等數(shù)據(jù)無法像固體那樣清晰可見。隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，氣體的各種形態(tài)都可以通過等溫模型中的流體來模擬，對于氣體的流動(dòng)功耗、動(dòng)態(tài)性狀的調(diào)控等也可以在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)閉式循環(huán)仿真系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。模擬計(jì)算的結(jié)果表明氣體的主要計(jì)算難點(diǎn)在于氣體的壓力如何隨著斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮和膨脹進(jìn)行氣體變化。

關(guān)鍵詞：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)；閉式循環(huán)；仿真

引言

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是一種熱能到機(jī)械能的動(dòng)力裝置，其主要組成與內(nèi)燃機(jī)等熱機(jī)是類似的，即由熱的發(fā)生系統(tǒng)、熱-機(jī)械能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、動(dòng)力傳遞系統(tǒng)以及其他的保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的一些輔助系統(tǒng)。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和普通內(nèi)燃機(jī)根本區(qū)別是外部供熱（燃燒）系統(tǒng)和閉式循環(huán)系統(tǒng)。外部供熱系統(tǒng)的作用是給閉式循環(huán)系統(tǒng)提供能源，甚至家用發(fā)熱燃料都可以成為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的外部熱源[1]。但是要推廣應(yīng)用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)目前在技術(shù)上還有許多問題有待解決。首先斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)閉式循環(huán)的內(nèi)部氣體流動(dòng)是比較復(fù)雜的流動(dòng)，運(yùn)行過程中能量發(fā)生、傳導(dǎo)、氣體流動(dòng)等過程互相交替，是一種往復(fù)式的交流換熱過程。加強(qiáng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的熱量傳遞與能量轉(zhuǎn)化過程可以提高斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，也是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)工作的重要方向。其次準(zhǔn)確預(yù)測斯特林循環(huán)系統(tǒng)在各種工作條件下的性能指標(biāo)參數(shù)，并發(fā)展相應(yīng)的控制規(guī)律。目前常規(guī)測試手段受到很多局限，因此發(fā)展仿真計(jì)算對斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的研究來說十分必要。目前國外已有很多針對斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的仿真計(jì)算，有很多分析模型[2]可以作為參考。

1 閉式循環(huán)仿真建模

無論任何流體計(jì)算都首先需要得到發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何模型，在仿真中應(yīng)用的模型必須經(jīng)過三維建模軟件來實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)的過程主要包括三個(gè)步驟，分別為建模、規(guī)范單位和導(dǎo)入。建模是指利用點(diǎn)線面的構(gòu)造方法將現(xiàn)實(shí)物體數(shù)字化建立的過程，實(shí)現(xiàn)過程如下：（1）獲取斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)。根據(jù)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊獲得各種斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的典型代表設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，按1：1比例建立斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)邊界封閉線。封閉線可直接存為矢量圖，在任何三維軟件中均可調(diào)用。（2）規(guī)范三維軟件和虛擬現(xiàn)實(shí)接口的單位，各種軟件的自定義單位：1個(gè)單位=1厘米；但在虛擬引擎中一般顯示單位比例：1個(gè)單位=1米\"。以便模型數(shù)據(jù)能以正確比例導(dǎo)入。（3）三維軟件建模：導(dǎo)入新建單個(gè)封閉線，通過LOFT命令放樣得到NURBS模型，為保證虛擬現(xiàn)實(shí)場景中的正確性，通常都轉(zhuǎn)換為POLYGON導(dǎo)出。將斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的大小嚴(yán)格按矢量圖的標(biāo)注，高度和位置嚴(yán)格參照竣工平面圖中斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)高度。個(gè)別不規(guī)則設(shè)備如活塞曲軸等在可以參照已知數(shù)據(jù)的比例來做，模型最后通過網(wǎng)格自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)分等待計(jì)算。

2 閉式循環(huán)仿真

導(dǎo)入模型后，通過軟件實(shí)現(xiàn)斯特林閉式循環(huán)的安裝及動(dòng)作過程。主要部件有：冷卻器，燃燒室，加熱管，活塞，回?zé)崞鳎S傳動(dòng)，扭矩輸出軸，其中氣缸由兩個(gè)或多個(gè)活塞構(gòu)成，在活塞間有一個(gè)回?zé)崞鳌；責(zé)崞魃舷赂饔谢钊蜌飧捉M成的膨脹腔（又叫熱腔）和壓縮腔（又叫冷腔）。這兩個(gè)腔室的氣體變化分別由活塞控制。回?zé)崞髟谝粋€(gè)閉式循環(huán)中不停地從氣體吸收熱能和向氣體釋放熱能，整個(gè)過程中熱腔的氣體溫度永遠(yuǎn)處于最高，而冷腔，即壓縮腔的氣體溫度始終為最低氣體溫度，因而回?zé)崞鞯膬啥司哂袦夭睢４蠖鄶?shù)情況下對氣體的各種變化忽略不計(jì)，一般假設(shè)活塞移動(dòng)時(shí)無摩擦損失，無氣體無泄漏，模擬的結(jié)果按照斯特林閉式循環(huán)就有四個(gè)過程組成[3]。（1）等溫壓縮過程：當(dāng)冷腔活塞位于最低點(diǎn)時(shí)閉式循環(huán)開始，此時(shí)壓縮腔氣體最大；當(dāng)膨脹腔氣體為零，膨脹腔活塞處于最高點(diǎn)并靠近回?zé)崞鳎藭r(shí)氣體全部集中在壓縮腔，氣體溫度為最低氣體溫度，氣體壓力也最低。氣體在閉式循環(huán)始的壓縮過程中，膨脹腔活塞在其最高點(diǎn)保持不動(dòng)，而壓縮腔活塞從最低點(diǎn)向外移動(dòng)。隨著壓縮活塞的移動(dòng)，氣體在壓縮腔中受到壓縮，系統(tǒng)閉式循環(huán)氣體逐漸縮小，當(dāng)壓縮活塞移動(dòng)到其最高的固定點(diǎn)后，等溫壓縮過程結(jié)束。（2）等容加熱過程：等容加熱過成的模擬是主要表現(xiàn)壓縮活塞，當(dāng)其到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)過程結(jié)束。膨脹活塞開始由最高點(diǎn)向最低點(diǎn)移動(dòng)。整個(gè)過程中兩個(gè)活塞作相反運(yùn)動(dòng)，壓縮腔氣體的縮小值等于膨脹腔氣體的增大量，系統(tǒng)閉式循環(huán)總氣體體積不變，過程是等容的。在整個(gè)過程中，壓縮腔的氣體變?yōu)榱悖蛎浨粴怏w開始由零逐漸增大，結(jié)果是壓縮腔中的氣體全部被壓到膨脹腔。氣體從冷腔到熱腔前，必須流經(jīng)回?zé)崞鞑@得回?zé)崞鞯臒崮芰浚瑹崃渴箽怏w溫度從最低上升到最高（從回?zé)崞鱾鹘o氣體），最后流入膨脹腔。（3）等溫膨脹過程：壓縮活塞在最高點(diǎn)保持不動(dòng)，膨脹活塞繼續(xù)向其最低點(diǎn)移動(dòng)，結(jié)果系統(tǒng)閉式循環(huán)總氣體體積增大，壓力下降，待膨脹活塞移動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)過程結(jié)束。此時(shí)，系統(tǒng)閉式循環(huán)總氣體已從最小體積變成最大體積。（4）等容冷卻過程：壓縮活塞從其最高點(diǎn)移動(dòng)到最低點(diǎn)，同時(shí)膨脹活塞從其最低點(diǎn)移動(dòng)到最高點(diǎn)，結(jié)果將膨脹腔中的氣體全部壓至壓縮腔，在流經(jīng)回?zé)崞鲿r(shí)，回?zé)崞鲝臍怏w吸走熱能，使氣體溫度從最高溫度下降到最低溫度后流入壓縮腔。當(dāng)以上四個(gè)部分仿真完成后，就可以通過公式來計(jì)算閉式循環(huán)中的各種氣體質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程。

3 閉式循環(huán)仿真結(jié)果

計(jì)算發(fā)現(xiàn)為了實(shí)現(xiàn)等溫膨脹，熱源必須通過氣缸向氣體供給熱能。同時(shí)系統(tǒng)向外界做功帶動(dòng)活塞作相反的運(yùn)動(dòng)，使氣體在高壓下得到冷卻，對氣體假設(shè)為理想氣體狀態(tài)下，氣體傳給回?zé)崞鞯臒崮埽约盎責(zé)崞鞯臍怏w溫度變化和回?zé)崞鞯拈]式循環(huán)的理論效率都會(huì)而影響閉式循環(huán)效率。其主要因素是流阻損失和熱損失的大小。這兩部分效率都與整個(gè)閉式循環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和氣缸體積有關(guān)。影響回?zé)崞鲹p失的主要因素有回?zé)崞鞯臏夭睢⒒責(zé)崞鞯臒峤粨Q面積、回?zé)崞髦械臍怏w種類、回?zé)崞黧w積、單積流量等；影響活塞損失的主要因素有雙活塞行程、氣體的種類、氣缸直徑、氣缸體積、活塞的長度、熱腔的溫度與冷腔的溫度差；影響泵氣損失的主要因素包括氣缸直徑、氣缸體積與長度、熱腔的溫度與冷腔的溫度差、氣體的壓差、等；而導(dǎo)熱率又包括氣體、氣缸和活塞等的導(dǎo)熱率，活塞的材料類型和氣體類型對整體的導(dǎo)熱率影響都很大，溫差主要由這些部件的材質(zhì)導(dǎo)熱情況決定的，另外導(dǎo)熱面積與部件的形狀和結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)。通過計(jì)算得知閉式循環(huán)氣體溫度在模擬中回?zé)崞鬟^程中與實(shí)驗(yàn)真實(shí)數(shù)據(jù)相差較小，而加熱器的是一個(gè)非常復(fù)雜的裝置，氣體溫度在模擬中加熱器過程中與實(shí)驗(yàn)真實(shí)數(shù)據(jù)相差較大。總體效果好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的特性，提高加熱器的仿真精確度還有很長的路要走。

4 結(jié)束語

通過計(jì)算得知類似卡諾閉式循環(huán)效率和斯特林閉式循環(huán)的熱效率相等，只與氣體的最高溫與最低溫的差有關(guān)，氣體溫度差越大，熱效率也就越大。但是通過系統(tǒng)控制模型，對斯特林閉式循環(huán)系統(tǒng)建立了數(shù)學(xué)分析模型。分析了其閉式循環(huán)的熱力學(xué)性能、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等。通過該模型對斯特林系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了仿真分析，計(jì)算得知在氣體恒定的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率是隨著氣體的溫差和能量損耗變化而變化。本文所建立的系統(tǒng)模型不僅可用于分析系統(tǒng)性能，對斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)推廣也具有一定的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]鄒隆清，等.斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)[M].武昌：華中工學(xué)院出版社，1985

[2]Walker G，Reader G，F(xiàn)auvel O R，et al.The Stirling alternative：power systems，refrigerants and heat pumps[M].New York：Gordon and Breach，1994.

[3]李明震，董金鐘.碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)性能分析模型與仿真[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào).2013，39（3），381-385.

作者簡介：孫浩鵬（1975-），男（漢），吉林長春人，講師，主要研究：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。