【正文】 el adaptability, smooth vibration noise, low emissions, etc, is a clean, efficient power equipment. The development of the modern Stirling engine speed is relatively fast, but Stirling engine testing methods and standards are still relatively simple, many difficult to measure the amount of the process, which largely affected the Stirling engine technology. This article address this issue, according to Stirling principle and process of using the dynamic mesh model simulation technology for small Stirling engine working process, and to affect the efficiency of Stirling engine analysis of the factors. This article describes the application of GAMBIT software model grid treatment, Stirling engine movement was simulated using FLUENT software model to calculate Stirling engine, through the dynamic simulation of its dynamic grid, the whole of the Stirling engine working process simulation, and in this model based on the Stirling engine cylinder temperature, pressure, the whole process of numerical simulation of a Stirling engine cylinder obtained every moment of the internal temperature and pressure distribution, and has been Stirling engine running the whole process of dynamic simulation results, analysis of the factors affecting the efficiency of Stirling to study the temperature, thickness, and valve piston valve piston and cylinder spacing on the efficiency of Stirling engine, Stirling engine improve the efficiency of the methods and means. Key words： Stirling engine Dynamic Mesh Working process Numerical simulation 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 目 錄 第 1 章 緒論 1 熱氣機(jī)的發(fā)展歷史及趨勢(shì) 6 本文的主要工作 8 斯特林循環(huán) 15 GAMBIT軟件簡(jiǎn)介 18 動(dòng)網(wǎng)格的基本方法 48 本章小結(jié) 53 配氣活塞與氣缸間距對(duì)熱氣機(jī)效率的影響 64 致謝 熱氣機(jī)因其獨(dú)有的特點(diǎn) 必將得到充分的發(fā)展，在動(dòng)力系統(tǒng)中取得應(yīng)有的地位和發(fā)揮其積極的作用，造福人類。單作用熱氣機(jī)和雙作用熱氣機(jī)。在熱氣機(jī)封閉的氣缸內(nèi)充有一定容積的工質(zhì)。提高斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)效率的關(guān)鍵就是要對(duì)熱交換器性能、耐壓耐熱材料以及密封潤(rùn)滑技術(shù)作進(jìn)一步的改善。同時(shí)熱氣機(jī)無(wú)需壓縮機(jī)增壓，使用一般風(fēng)機(jī)即可滿足要求，并允許燃料具有較高的雜質(zhì)含量。 但是熱氣機(jī)還有其自身急需解決的問(wèn)題，一直未進(jìn)入批量化生產(chǎn)，制造成本高；負(fù)荷調(diào)節(jié)響應(yīng)慢。 26m 的超大型熱氣機(jī)，總功率達(dá) 220KW，效率 13%，裝在了 20xxT 的明輪船上， 1916年最后一臺(tái)老式熱氣機(jī)出廠。 3 馬力，最低油耗僅為 159 克 /馬力每小時(shí)。E公司簽訂了提供 300900MW 太陽(yáng)能電力的合同，該發(fā)電廠將由在大約 3 平方英里的 120xx 個(gè)斯特林太陽(yáng)能光碟組成。 經(jīng)歷了數(shù)十年的研究和開(kāi)發(fā)，熱氣機(jī)技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，從技術(shù)上來(lái)說(shuō)已完全具備走出實(shí)驗(yàn)室、走 向?qū)嵱玫臈l件。采用與蓄電池并聯(lián)的浮充電方式，可簡(jiǎn)化控制要求。 但是熱氣機(jī)的測(cè)試手段和水平仍然還比較簡(jiǎn)單，很多過(guò)程中的量難以測(cè)量，這些很大程度上影響了熱氣機(jī)技術(shù)的發(fā)展。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 8 第 2 章 斯特林 發(fā)動(dòng)機(jī) 基本工作原理 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的種類多種多樣，經(jīng)過(guò)前人的努力，效率愈見(jiàn)提高，斯特林對(duì)于熱力學(xué)理論的研究，就是從提高熱機(jī)效率的目的出發(fā)的。 過(guò)程 2—3 為定容吸熱過(guò)程。 至此，一個(gè)循環(huán)完成了。斯 特林循環(huán)在極限回?zé)岬那闆r下，其定容 放熱過(guò)程 4—l所釋放的熱量與定 容吸熱過(guò)程 2—3 所吸收購(gòu)熱量相等 ，于 是其效果和卡諾循 環(huán)的兩個(gè)絕熱過(guò)程相當(dāng)。 由平均指示壓力來(lái)分析，在循環(huán)壓力和溫度相同的情況下， 目前已試制成的熱氣機(jī)中，每升氣證工 作哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 10 容 積能產(chǎn)生 150KW 的功率，而目前內(nèi)燃機(jī)是難以達(dá)到的。壓力也最低 。 4)在等容冷卻過(guò)積 4—1 中，兩個(gè)活塞又同時(shí)運(yùn)動(dòng)， 動(dòng)力活塞向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，而配氣活塞向上 止點(diǎn)運(yùn)動(dòng) ， 兩個(gè)活塞之間的容積保持不變。因此實(shí)際 上冷熱腔的容積變化決定于傳遞活塞運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。因?yàn)榕錃饣钊麠U要穿過(guò)動(dòng)力活塞、動(dòng)力活塞桿和哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 13 上 拉 板，所以動(dòng)力 活 塞桿的中間是空心的，動(dòng)力活塞和上拉板的中央都得鉆孔，使配氣活塞 桿能夠順利的 通過(guò)。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 15 第 3 章 數(shù)值仿真軟件 基礎(chǔ) 本文中，由于建模分析的需要，主要需要的軟件有 PREO、 GAMBIT、FLUENT 等，作為目前在建模仿真的軟件中，這些都是有其各自的特點(diǎn)，本章主要介紹下 GAMBIT 軟件、 FLUENT 軟件，以及動(dòng)網(wǎng)格的相關(guān)理論，并簡(jiǎn)單介紹軟件在本文中的應(yīng)用。 FLUENT 軟件簡(jiǎn)介 FLUENT 軟件是通用 CFD 軟件包，用來(lái)模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)。由于囊括了 Fluent Dynamical International 比利時(shí)PolyFlow 和 Fluent Dynamical International(FID)的全部技術(shù)力量 (前者是公認(rèn)的在黏彈性和聚合物流動(dòng)模擬方面占領(lǐng)先地位的公司 ， 后者是基于有限元方法 CFD 軟件方面領(lǐng)先的公司 )， 因此 Fluent 軟件具有如下優(yōu)點(diǎn) 功能強(qiáng) ， 適用面廣。 FLUENT 的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)根據(jù)計(jì)算中瞬態(tài)幾何邊界位置的變化實(shí)現(xiàn)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格的自動(dòng)生成。FLUENT 要求將運(yùn)動(dòng)的描述定義在網(wǎng)格面或網(wǎng)格區(qū)域上。動(dòng)態(tài)哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 19 層模型的中心思想是根據(jù)緊鄰運(yùn)動(dòng)邊界網(wǎng)格層高度的變化，添加或者減少動(dòng)態(tài)層，即在邊界發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果緊鄰邊界的網(wǎng)格層高度增大到一定程度，就將其劃分為兩個(gè)網(wǎng)格層；如果網(wǎng)格層高度降低到一 定程度，就將緊鄰邊界的兩個(gè)網(wǎng)格層合并為一個(gè)層： 動(dòng)網(wǎng)格模型的應(yīng)用有如下限制： （ 1）與運(yùn)動(dòng)邊界相鄰的網(wǎng)格必須為楔形或者六面體（二維四邊形）網(wǎng)格。如果動(dòng)邊界附近采用的是四面體網(wǎng)格（三維）或三角形網(wǎng)格（二維），則FLUENT 會(huì)自動(dòng)選擇彈簧光順模型和局部重劃模型對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整。 設(shè) 定邊界條件，即設(shè)定壁面運(yùn)動(dòng)速度。 1）選擇網(wǎng)格更新模型 在 Mesh Methods（網(wǎng)格劃分方法）下面選擇 Smothing（彈簧光順模型），Layering（動(dòng)態(tài)層模型）和（或） Remshing（局部重劃模型）?？梢栽O(shè)置的參數(shù)包括 Maximum Cell Skewness（最大畸變率）、 Maximum Cell Volume（最大網(wǎng)格體積）和 Minimum Cell Volume（最大網(wǎng)格體積），其含義如前所述，主要用于確定哪些網(wǎng)格需要被 5）設(shè)定活塞運(yùn)動(dòng)參數(shù) 如果在計(jì)算中選擇使用 Incylinder（活塞）模型，需要指定 Crank Shaft Speed（曲柄速度 ）、 Starting Crank Speed（曲柄起始速度）、 Crank Period（曲柄周期）以及 Crank Angle StepSize（曲柄角度時(shí)間步長(zhǎng)）?？晒┻x擇的運(yùn)動(dòng)類型包括 Stationary（靜止）、 Rigid Body（剛體運(yùn)動(dòng)）、 Deforming（變形）和 UserDefined（用戶自定義）四種。 （ 6）如果所定義的區(qū)域是面區(qū)域，則還需要定義 Cell Height（網(wǎng)格高度）。 用戶定義的運(yùn)動(dòng)方式 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 24 對(duì)于同時(shí)存在運(yùn)動(dòng)和變形的區(qū)域，只能使用 UDF 來(lái)定義其運(yùn)動(dòng)方式，定義步驟如下： （ 1）在 Zone Names（區(qū)域名稱）中選擇需要定義的區(qū)域名稱，并在 Type（類型） 下選擇 UserDefined（用戶定義）。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 25 第 4 章 熱氣機(jī)建模 熱氣機(jī)模型多種多樣，本章將介紹熱氣機(jī)模型建立過(guò)程，先繪制 CAD圖紙，在明確模型尺寸等條件之后，運(yùn)用 PROE 軟件設(shè)計(jì)制作小型熱氣機(jī)模型的零件，然后將零件導(dǎo)入到 GAMBIT 進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，配氣活塞和動(dòng)力活塞的速度穩(wěn)定。 熱氣機(jī)模型結(jié)構(gòu)如圖 所示 圖 熱氣機(jī)模型正視圖和俯視圖 建立 PROE 熱氣機(jī)模型 由于小型熱氣機(jī)模型經(jīng)過(guò)理想化優(yōu)化后，分為缸體主體、配氣活塞、動(dòng)力活塞三部分， PROE 是 Pro/Engineer 的 縮寫， pore 是做產(chǎn)品設(shè)計(jì)最好的軟件是三維建模的領(lǐng)頭羊之一， Pro/ENGINEER 的所有模塊都是全相關(guān)的。 如圖 熱氣機(jī)模型在 GAMBIT 中的處理 圖 導(dǎo)入模型 零件 如圖 首先打開(kāi) BAMBIT，在進(jìn)入 GAMBIT 界面后，點(diǎn)擊 FILE，選擇 IMPORT 中的 STEP， 即為導(dǎo)入零件的操作。即成功將 volume。 3 刪除，選擇就剩下新的volume。這樣小型熱氣機(jī)模型就建立好了，并且已經(jīng)劃分好網(wǎng)格，可以輸入到 FLUENT 中了。 圖 選擇湍流環(huán)境 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 35 選擇湍流環(huán)境 操作：點(diǎn)擊 Define 中的 Models， 選擇 Viscous， 如圖 中，選擇第四項(xiàng) kepslion， 其他保持缺省設(shè)置，點(diǎn)擊 OK，完成操作 圖 選擇材料 選擇材料 操作：點(diǎn)擊 Define，選擇 Materials， 打開(kāi)對(duì)話框如圖 所示，在 Density下拉列表中選擇 adealgas， 然后 點(diǎn)擊 Change/Create， 這里有一點(diǎn)需要了解的是，在選擇 idealgas 后， FLUENT 將自動(dòng)激活能量方程，因此可不訪問(wèn) Energy菜單。 圖 設(shè)置邊界條件 設(shè)置配氣活塞汽缸底面溫度邊界條件 操作：點(diǎn)擊 Define，選擇 Boundary conditions， 選擇 dimian，類型為 WALL，然后點(diǎn)擊 Set， 出現(xiàn)如圖 的對(duì)話框，在其中點(diǎn)擊 Thermal 標(biāo)簽，在 Thermal conditions 中選擇 Temperature， 在右側(cè)空白處鍵入溫度值為 365K，點(diǎn)擊 OK，設(shè)置邊界條件操作完成。首先根據(jù)數(shù)據(jù)繪制 CAD圖紙，然后通過(guò) PROE 建立動(dòng)力 活塞模型、配氣活塞模型、配氣活塞氣缸和動(dòng)力活塞模型的