【正文】 零件，接著講零件導(dǎo)入 GAMBIT 中，設(shè)置邊界條件、劃分網(wǎng)格等，最后輸出 Mesh 文件，為小型熱氣機(jī)模型在 FLUENT 中進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算打下了基礎(chǔ)。 如圖 圖 模型去除實(shí)體 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 30 圖 去除 實(shí)體 圖 定義邊界面 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 31 圖 劃分網(wǎng)格 如圖 ，點(diǎn)擊選擇 Specify boundary type， 選擇邊界面，按住 shift+鼠標(biāo)左鍵選擇配氣活塞，一共 4 個(gè)面，定義為一個(gè) WALL，命名為 move1， 點(diǎn)擊Apply， 即設(shè)置成功。 3 從 volume。查看模型位置關(guān)系，在確認(rèn)無誤后，進(jìn)行下一步操作。在本哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 27 文中，為了優(yōu)化設(shè)置，并為后期模型的修改提供方便所以我優(yōu)先選擇用 PROE進(jìn)行模型的建立。 建立 熱氣機(jī)模型和 PROE 模型 建立熱氣機(jī)模型 建立熱氣機(jī)模型，首先明確的是建 立了小型的熱氣機(jī)模型，先測量好模型的尺寸，并對(duì)一系列 數(shù)據(jù)進(jìn)行 運(yùn)算，并繪制 二維模型圖 。 假設(shè)熱氣機(jī)是絕對(duì)密封的，不存在泄露的問題，不考慮工質(zhì)質(zhì)量損失的問題。 （ 3）點(diǎn)擊 Create（創(chuàng)建）按鈕完成設(shè)置。 （ 7）點(diǎn)擊 Create（創(chuàng)建）按鈕，完成設(shè)置。 剛體運(yùn)動(dòng)區(qū)域設(shè)置 如果被指定區(qū)域?yàn)閯傮w運(yùn)動(dòng)區(qū)域，則其設(shè)置過程如下： 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 23 （ 1）在 Zone Names（區(qū)域名稱）下選擇這個(gè)區(qū)域的名稱，然后在 Type（類型）下選擇 Rigid Body（剛體）。這個(gè)函數(shù)的自變量為曲柄轉(zhuǎn)角，如果選用這個(gè)函數(shù)，還需要指定 Piston Stroke（活塞行程）和Connecting Rod Length（連接桿長度）二個(gè)參數(shù)。 收斂判據(jù)就是網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)移動(dòng)計(jì)算中，迭代計(jì)算的判據(jù)。 預(yù)覽動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置，菜單操作為： Solve Mesh Motion 在計(jì)算活塞問題時(shí)，設(shè)定活塞計(jì)算中的事件： Define Dynamic Mesh Events 并可以通過顯示閥與活塞 的運(yùn)動(dòng)，檢查上述設(shè)置是否正確： Display IC Zone Motion 應(yīng)用自動(dòng)保存功能保存計(jì)算結(jié)果。在靜止網(wǎng)格區(qū)域則不進(jìn)行網(wǎng)格調(diào)整。 （ 3）如果網(wǎng)格周圍區(qū)域中有雙側(cè)壁面區(qū)域，則必須首先將壁面和陰影區(qū)分割開，再用 。那些由于周圍區(qū)域運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變形的區(qū)域必須被組合到各自的初始網(wǎng)格區(qū)域中。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 18 動(dòng)網(wǎng)格 的基本 理論 和 方法 動(dòng)網(wǎng)格的基本理論 世界的萬事萬 物都時(shí)時(shí)刻刻處于運(yùn)動(dòng)之中，為了更好的分析一些問題，在 FLUENT 數(shù)值模擬中，就出現(xiàn)了動(dòng)網(wǎng)格模型，動(dòng)網(wǎng)格對(duì)于很多問題的處理更加優(yōu)越在對(duì)于區(qū)域變化的問題的處理上。輻射模型 ，相變模型 ， 離散相變模型 ， 多相流模型及化學(xué)組分輸運(yùn)和反應(yīng)流模型等 。靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于解的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)及成熟的物理模型，使 FLUENT 在轉(zhuǎn)捩與湍流、傳熱與相變、化學(xué)反應(yīng)與燃燒、多相流、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、動(dòng) /變形網(wǎng)格、噪聲、材料加工、燃料電池等方面有廣泛應(yīng)用。 GAMBIT GUI 簡單而又直接的做出建立模型、網(wǎng)格化模型、指定模型區(qū)域大小等基本步驟，然而這對(duì)很多的模型應(yīng)用已是足夠了。通常動(dòng)力活塞的上拉板兩端各設(shè) 置 兩根連桿，而配氣活塞的下拉扳兩端各設(shè)置 兩 根連 接 六 根連桿是等長的。而 如圖 —V 圖上曲線變化也 是圓角 。在工質(zhì)通過回?zé)岬脮r(shí)，熱量從工質(zhì)傳 給了回?zé)崞鳎べ|(zhì)溫 度降低到 Tmin。 2)在等容加熱過程 2 一 3 中，活塞位置 從 2 開始，兩個(gè)活塞同時(shí)運(yùn)動(dòng)，其中動(dòng)力活塞繼續(xù)向上止 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，直到緊靠回?zé)崞?為止 ， 冷腔 容積為零， 配氣活塞向下 止點(diǎn)方向移動(dòng)， 所以兩個(gè)活塞之間的容積保持不變。圖 所示 就 是熱氣機(jī)的循環(huán)系統(tǒng)及其動(dòng)作過程。 在 P—V 圖 中，由循環(huán)過程所組成的面積表示循環(huán)功的大小。 為了進(jìn)行比較，在圖 1 中還示明了卡諾循環(huán)?？梢园鸦?zé)崞髟O(shè)想成是一塊交替地放熱和吸熱的熱力海綿。當(dāng)然受實(shí)際可能的限制，不可能達(dá)到 100％，但提供了提高熱效率的努力方向。 以往研究熱氣機(jī)運(yùn)動(dòng)過程的仿真中，沒有對(duì)工作過程有很深的分析，本文將 在 對(duì)熱氣機(jī)整個(gè)工作過程進(jìn)行模擬， 對(duì)熱氣機(jī)運(yùn)行的整個(gè)過程動(dòng)態(tài)模擬 ，為提高熱氣機(jī)效率提供參考。并且應(yīng)使用方便，自動(dòng)化程度高，無須專人值守。在技術(shù)上，熱氣機(jī)性能分析技術(shù)，燃燒技術(shù)，熱交換器技術(shù)，密封技術(shù)，傳動(dòng)技術(shù)，功率控制技術(shù)等日益完善。1982 年 8 月，中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)和國家科委攻關(guān)局在上海召開了 “內(nèi)燃機(jī)攻關(guān)項(xiàng)目選題專家座談會(huì) ”，會(huì)議確定斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)和電子控制內(nèi)燃機(jī)這三個(gè)項(xiàng)目為主要研究項(xiàng)目。該公司研究進(jìn)度較快，很快研制了 P P7 P150、 U4P95等型號(hào)，其中最成功的是 U4P95，其為雙曲軸傳動(dòng)的四缸并列雙作用式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，功率為 55 馬力，轉(zhuǎn)速為 4000r/min。菲利普公司的創(chuàng)新主要在于，采用了菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，保證活塞和活塞桿的直線運(yùn)動(dòng)，從而解決了密封的一些問題，更進(jìn)一步的是，在工質(zhì)上，他們采用了氫氣或氦氣為工質(zhì)，傳熱性提高，比重和粘度降低，從而顯著的提高了惹交換器的效率。 熱氣機(jī)的發(fā)展歷史 及趨勢 最初的 熱氣機(jī)主要用于礦山水泵的驅(qū)動(dòng)等，希望其能替代蒸汽機(jī)，但在問世后的幾十年內(nèi)由于受當(dāng)時(shí)條件的限制，功率和效率都很低，被晚發(fā)明半個(gè)世紀(jì)的內(nèi)燃機(jī)所淘汰。因燃料是在較多的過量空氣下連續(xù)燃燒的，熱氣機(jī)無需氣門機(jī)構(gòu)，無爆炸燃燒，運(yùn)行平穩(wěn)振動(dòng)小。 影響熱交換器性能的幾個(gè)主要因素：工質(zhì)的流動(dòng)、傳熱以及熱交換器的效率。工質(zhì)在低溫冷腔中壓縮，然后流到高溫?zé)崆恢醒杆偌訜?，膨脹作功燃料在氣缸外的燃燒室?nèi)連續(xù)燃燒，通過加熱器傳給工質(zhì)，工質(zhì)不直接 參與燃燒，也不更換。其他還有自由活塞式等都是在此基礎(chǔ)上派生出去的。 上個(gè)世紀(jì)九十年代初，瑞典 Kockums 公司率先將熱氣機(jī)成功地用作潛艇的經(jīng)航動(dòng)力，從而使瑞典成為世界上第一個(gè)擁有了不依賴空氣動(dòng)力 (AIP)潛艇的國家。 50 溫度對(duì)熱氣機(jī)效率的影響 33 熱氣機(jī)模型仿真后處理 25 熱氣機(jī)模型假設(shè) 22 本章小結(jié) 18 動(dòng)網(wǎng)格的基本理論 10 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律 現(xiàn)代 熱氣機(jī)的發(fā)展速度還是比較快， 但是 熱氣機(jī)的測試手段和水平仍然還比較簡單，很多過程中的量難以測量，這些很大程度上影響了熱氣機(jī)技術(shù)的發(fā)展。 16 動(dòng)網(wǎng)格的基本理論和方法 28 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 本章小結(jié) C 以上的熱水 )，該機(jī)有三種規(guī)格，分別適用于游艇的 輔助動(dòng)力、邊遠(yuǎn)住宅及城市住房的熱電聯(lián)供系統(tǒng)。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是通過氣體受熱膨脹、遇冷壓縮而產(chǎn)生動(dòng)力的。 斯特林熱氣機(jī)在理論上具有卡諾循環(huán)的效率，在實(shí)際應(yīng)用中要達(dá)到這種效率卻相當(dāng)困難。迄今為止，尚無成熟的計(jì)算理論。高效：總能效率達(dá)到 80%以上；低噪： 1 米處裸機(jī)噪音底于 68dBA；低排放：尾氣排放達(dá)到歐 5 標(biāo)準(zhǔn)。 自從 1816 年斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)以來，已經(jīng)經(jīng)歷了近 200 年的發(fā)展歷史，無數(shù)人為熱氣機(jī)的發(fā)展貢獻(xiàn)著他們的青春和汗水。 1958 年，美國通用發(fā)動(dòng)機(jī)公 司研制成功了衛(wèi)星用太陽能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組，還研制了軍用 3 千瓦輕便式無聲發(fā)電機(jī)組，其聲音在 35 米外幾乎聽不到，性能優(yōu)越。 之后英國、法國、加拿大和前蘇聯(lián)等國家，也開始了對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作。在以后的會(huì)議中成為斯特林應(yīng)用前景的討論熱點(diǎn)之一。其次，重量要求比較輕，有利于簡化聚光器支撐和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，還需要完全自動(dòng)控制。 3 水下動(dòng)力系統(tǒng) 對(duì)于水下用熱氣機(jī)，滿足安全的要求是第一位的，因此，必須采取有效措施防止氧氣的泄漏；同時(shí)，綜合考慮安全性和高性能的要求，熱氣機(jī)的工質(zhì)也只能用氦氣。 建立熱氣機(jī)模型，并運(yùn)用 GMBIT 及 FLUENT 對(duì)其處理。這四個(gè) 工作 過程如圖 所示。過程中工質(zhì)膨脹并從熱源不斷吸取熱量，使工質(zhì)溫度 TE 維持不變，但壓力下降。從熱力學(xué)的觀點(diǎn)看，卡諾循環(huán)是最有利的一種熱力循環(huán)，具有最高的熱效率。從圖 l—2 可見，在給定的壓力、溫度 和容 積界限下，斯特林循環(huán)的循環(huán)功 (面積 1—2—3—4—1)比卡諾循環(huán)功 (面積 1—2’—3—4’—1)要大。這兩個(gè)腔室的容積變化分別由 配氣活塞控 制，膨脹腔處設(shè)置有使工質(zhì)做 等溫膨脹的加熱器 H，對(duì)工質(zhì)加熱使其保持高溫 Tmax，在壓縮腔處設(shè)置有能將壓縮熱從被壓縮的工質(zhì)中導(dǎo)出的冷卻器 C，住在冷腔的工質(zhì)保持低溫 Tmin。由于工 質(zhì)通過回 熱器而使溫度提高，又是在哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 11 等容條件下進(jìn)行的，因而導(dǎo)致了壓力也增加。如此周而復(fù)始就組成熱氣機(jī)的連續(xù)工作循環(huán)。配氣活塞式熱氣機(jī)的菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一共需要兩根曲軸、六根連桿、兩根活塞桿和兩塊拉板。由于采用菱形傳動(dòng)，可以在 冷腔下方設(shè)置一個(gè)緩沖底， 圖 曲軸轉(zhuǎn)角及活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律 在斯特拉發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)中，不難發(fā)現(xiàn)，配氣活塞和動(dòng)力活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是相同的，實(shí)際上配氣活塞的運(yùn)動(dòng)比動(dòng)力活塞快四分之一個(gè)周期， 一個(gè)周期為360 度，即配氣活塞比動(dòng)力活塞快 90 度。 GAMBIT 軟件具有 很多優(yōu)秀的 特點(diǎn) ，在本文中能利用到得特點(diǎn)有 ： 可以導(dǎo)入 PRO/E、 UG、 CATIA、 SOLIDWORKS、 ANSYS、 PATRAN等大多數(shù) CAD/CAE 軟件所建立的幾何和網(wǎng)格。其局部網(wǎng)格重生式是 FLUENT 所獨(dú)有的，而且用途廣泛，可用于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、變形較大問題以及物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律事先不知道而完全由流 動(dòng)所產(chǎn)生的力所決定的問題； 變形網(wǎng)格以及滑動(dòng)網(wǎng)格等。 此外相比同類軟件， FLUENT 穩(wěn)定性好， FLUENT 經(jīng)過大量算例考核，同實(shí)驗(yàn)符合較好，適用范圍廣， FLUENT 含有多種傳熱燃燒模型及多相流模型，可應(yīng)用于從可壓到不可壓、從低速到高超音速、從單相流到多相流、化學(xué)反應(yīng)、燃燒、氣固混合等幾乎所有與流體相關(guān)的領(lǐng)域 精度提高，可達(dá)二階精度。網(wǎng)格的更新過程由 FLUENT 根據(jù)每個(gè)迭代步中邊界的變化情況自動(dòng)完成。 彈簧近似光滑模型 在彈簧近似光滑模型中，網(wǎng)格的邊被理想化為節(jié)點(diǎn)間相互連接的彈簧。 局部重劃模型 在使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的區(qū)域上一般采用彈簧光順模型進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格劃分，但是如果運(yùn)動(dòng)邊界的位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于網(wǎng)格尺寸，則采用彈簧光順模型可能導(dǎo)致網(wǎng)格質(zhì)量下降，甚至出現(xiàn)體積為負(fù)值的網(wǎng)格，或因網(wǎng)格畸變過大導(dǎo)致計(jì)算不收斂。同時(shí)需要定義的是固體在初始時(shí)刻的位哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 20 置。 為了使用動(dòng)網(wǎng)格模型， 需要準(zhǔn)確設(shè)定動(dòng)網(wǎng)格參數(shù)，設(shè)置的方法是 在dynamic mesh（動(dòng)網(wǎng)格）面板中激活 Dynamic Mesh（動(dòng)網(wǎng)格）選項(xiàng)。通過設(shè)定 Constant Height（常值高度）與 Constant Ratio（常值比例）可以確定分解網(wǎng)格的兩種方法。 上述定義在 Dynamic Zones（動(dòng)態(tài)區(qū)域）面板中設(shè)置，啟動(dòng)該面板的菜單操作順序?yàn)椋? Define Dynamic Mesh Zones 在這個(gè)面板中可以修改動(dòng)態(tài)區(qū)域的設(shè)置、計(jì)算剛體運(yùn)動(dòng)區(qū)域的重心或刪除一個(gè)動(dòng)態(tài)區(qū)域。 （ 4）在 . Orentation（重心方向）中定義重力在慣性系中的方向。 （ 3）在 Remeshing Options（重劃選項(xiàng)）標(biāo)簽下定義與網(wǎng)格局部重劃相關(guān)的參數(shù)。 （ 2）在 IC Zone Motion（網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)）面板中，設(shè)置曲柄角度增量（ Increment）和迭代步數(shù)（ Number of Steps）。 忽略冷卻器、加熱器和回?zé)崞鞯娜莘e，即沒有多余容積 。由于模型零件比較簡單，就直接繪制模型整體 CAD 圖紙。 子類型選擇實(shí)體，名稱等默認(rèn)，然后點(diǎn)擊確定按鈕。 1，在第三項(xiàng) VOLUMES 中選擇volume。 2 volume。 1， Spacing 處鍵入 3，其他選項(xiàng)默認(rèn)設(shè)置，點(diǎn) 擊 Apply，就開始劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格效果如圖 。 檢查網(wǎng)格 操作：點(diǎn)擊 Grid， 然后點(diǎn)擊 Check， 目的是確保最小體體網(wǎng)格單元都為正值，否則， FLUENT 無法開始計(jì)