【導(dǎo)讀】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。氣機(jī)技術(shù)的發(fā)展。本文針對這個(gè)問題，根據(jù)熱氣機(jī)的原理和工作過程，運(yùn)用

　　

【正文】 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）。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 22 FLUENT 中還提供一個(gè)內(nèi)建函數(shù)用于計(jì)算活塞位置。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)。 動(dòng)網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)方式 在計(jì)算動(dòng)網(wǎng)格問題時(shí)，必須定義動(dòng)網(wǎng)格區(qū)的運(yùn)動(dòng)方式。在動(dòng)網(wǎng)格區(qū)為剛體運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以用型函數(shù)和 UDF 來定 義其運(yùn)動(dòng)；在動(dòng)網(wǎng)格區(qū)為變形區(qū)域時(shí)，則需要定義其幾何特征及局部網(wǎng)格重劃參數(shù)；如果動(dòng)網(wǎng)格區(qū)既做剛體運(yùn)動(dòng)又有變形發(fā)生，則只能用 UDF 來定義其幾何形狀的變化和運(yùn)動(dòng)過程。 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。方法是首先在 Dynamic Zones（動(dòng)態(tài)區(qū)域）列表中選擇一個(gè)動(dòng)網(wǎng)格區(qū)，然后修改其設(shè)置參數(shù)，或計(jì)算其重心，或進(jìn)行刪 除操作，最后點(diǎn)擊 Create（創(chuàng)建）按鈕保存設(shè)置。 對于新加入的區(qū)域，需要先從 Zone Names（區(qū)域名稱）下選擇相關(guān)區(qū)域，然后在 Type（類型）下選擇其運(yùn)動(dòng)類型?？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。 靜止區(qū)域設(shè)置 如果被指定區(qū)域?yàn)殪o止區(qū)域，則首先在 Zone Names（區(qū)域名稱）下選擇這個(gè)區(qū)域，然在 Type（類型）下選擇 Stationary（靜止），再指定 Adjacent Zone（相鄰區(qū)域）的 Cell Height 網(wǎng)格高度）用于網(wǎng)格重新劃分，最后點(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）。 （ 2）在 Motion Attributes（運(yùn)動(dòng)屬性）標(biāo)簽下的 Motion UDF/Profile（用UDF 或型函數(shù)定義運(yùn)動(dòng)）中確定究竟用型函數(shù)，還是 UDF 來做運(yùn)動(dòng)定義。 （ 3）在 . Location（重心位置）中定義剛體重心的初始位置。 （ 4）在 . Orentation（重心方向）中定義重力在慣性系中的方向。 （ 5）如果計(jì)算中包含活塞計(jì)算，則需要在 Valve/Piston Axis（閥門或活塞軸）中指定閥門或活塞的參考軸。如果在所定義的網(wǎng)格區(qū)域中，某種形狀的網(wǎng)格單元需要被排除在上述設(shè)置之外，則可以在 Motion Mask（運(yùn)動(dòng)屏蔽）中選擇這些單元形狀。 （ 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）。這個(gè)參數(shù)用于定義局部網(wǎng)格重劃時(shí)，與面區(qū)域相鄰的網(wǎng)格的理想高度。 （ 7）點(diǎn)擊 Create（創(chuàng)建）按鈕，完成設(shè)置。 變形運(yùn)動(dòng) 變形區(qū)域的設(shè)置過程為： （ 1）在 Zone Names（區(qū)域名稱）中選擇區(qū)域，并在 Type（類型）下選擇 Deforming（變形）。 （ 2）在 Geometry Definition（幾何定義）下定義變形區(qū)的幾何特征，共有 4 個(gè)選項(xiàng)：如果沒有合適的幾何形狀，就在 Definition 中選擇 none；如果變形區(qū)為平面，則選擇 plane（平面）并在 Point on Plane（平面上的點(diǎn)）中定義平面上一點(diǎn)，同時(shí)在 Plane Normal（平面法向）中定 義法線方向 。 （ 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)。重劃方法在 Mesh Methods（網(wǎng)格劃分方法）中選擇，其中包括Smoothing（彈簧光順模型）、 Layering（動(dòng)態(tài)層模型）和 Remeshing（網(wǎng)格重劃模型）。 （ 4）點(diǎn)擊 Create（創(chuàng)建）按鈕完成設(shè)置。 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 對于同時(shí)存在運(yùn)動(dòng)和變形的區(qū)域，只能使用 UDF 來定義其運(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）。 （ 2）在 Motion Attributes（運(yùn)動(dòng)屬性）標(biāo)簽下，然后在 Mesh Motion UDF（網(wǎng)格運(yùn)動(dòng) UDF）下選擇相應(yīng)的 UDF 函數(shù)。 （ 3）點(diǎn)擊 Create（創(chuàng)建）按鈕完成設(shè)置。 此外動(dòng)網(wǎng)格模型還有預(yù)覽的功能，通過預(yù)覽，可以更好的提前獲知問題的處理是否正確，以及如果出現(xiàn)問題，盡早發(fā)現(xiàn)解決， 預(yù)覽動(dòng)網(wǎng)格 的基本方法還是比較容易掌握的。 預(yù)覽操作的具體步驟為： （ 1）在 Display Grid（顯示網(wǎng)格）面板中選擇準(zhǔn)備預(yù)覽的網(wǎng)格區(qū)域。 （ 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）。 （ 3）點(diǎn)擊 Preview（預(yù)覽）按鈕開始預(yù)覽。 本章小結(jié) 本章主要介紹了本文所要用到的一些軟件，先介紹了模型導(dǎo)入以及設(shè)置邊界面的 GAMBIT 軟件，其強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分能力，是整個(gè)仿真的基礎(chǔ)，其次介紹了功能很強(qiáng)大的 FLUENT 軟件，對其特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并針對本文所要用到的知識進(jìn)行了敘述，最后詳細(xì)介紹了動(dòng)網(wǎng)格的基本理論和方法，并在其中深入的介紹了模型在動(dòng)網(wǎng)格處理中的注意點(diǎn)，對于仿真的順利 進(jìn)行有很重要的指導(dǎo)作用。 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。 熱氣機(jī)模型假設(shè) 在熱氣機(jī)模型建立前，為了分析研究方便，根據(jù)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理，提出一些假設(shè)來簡化模型，為后面分析做基礎(chǔ)。 假設(shè)熱氣機(jī)是絕對密封的，不存在泄露的問題，不考慮工質(zhì)質(zhì)量損失的問題。 實(shí)際工作中的工質(zhì)可能是氦氣等，但為了計(jì)算的準(zhǔn)確合理，假設(shè)工質(zhì)為理 想氣體。 配氣活塞、動(dòng)力活塞的運(yùn)動(dòng)是不連續(xù)的。 忽略冷卻器、加熱器和回?zé)崞鞯娜莘e，即沒有多余容積 。 工質(zhì)符合 PV=MRT 理想氣體特性方程的規(guī)律。 汽缸壁為絕熱面，同時(shí)活塞也是絕熱，導(dǎo)熱系數(shù)為 0 工質(zhì)在冷腔和熱腔的容積呈正弦曲線變化。 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。 不存在循環(huán)外的其他熱損失和機(jī)械損失。 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，并對一系列 數(shù)據(jù)進(jìn)行 運(yùn)算，并繪制 二維模型圖 。 熱氣機(jī)的基本 構(gòu) 成 是 冷腔、熱腔、冷源、熱源、動(dòng)力活塞和配氣活塞等組成，為了模型的建立和后期計(jì)算方便，在模型中只考慮建立配氣活塞汽缸、哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 26 動(dòng)力活塞汽缸、動(dòng)力活塞、配氣活塞這些部分。 小型熱氣機(jī)模型有配氣活塞汽缸和動(dòng)力活塞汽缸的整體、還有動(dòng)力活塞，配氣活塞組成。由于模型零件比較簡單，就直接繪制模型整體 CAD 圖紙。 其中配氣活塞直徑 46mm，厚度為 3mm，與配氣活塞汽缸間距為 2mm，動(dòng)力活塞直徑 10mm，厚度為 1mm，距離動(dòng)力活塞汽缸壁 2mm，配氣活塞汽缸直徑 50mm， 高 60mm，動(dòng)力 活塞直徑 14mm，高 20mm 為了在 GAMBIT 劃分邊界面方便，配氣活塞下底面和配氣活塞汽缸底面不重合，保持 2mm的間距。 設(shè)置配氣活塞行程為 55mm，動(dòng)力活塞行程為 4mm，小型熱氣機(jī)模型中，有兩個(gè)汽缸，分別為配氣活塞汽缸和動(dòng)力 活塞汽缸，動(dòng)力活塞對外輸出，而配氣活塞在配氣活塞中起配氣的作用。 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。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進(jìn)行的修改，能夠擴(kuò)展到整個(gè)設(shè)計(jì)中，同時(shí)自動(dòng)更新所有的工程文檔，包括裝配體、設(shè)計(jì)圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。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。 先 分別建立各個(gè)零件部分。具體建立方法如下所述： 打開 PROE 后，首先新建一個(gè)任務(wù)，模型為零件，在新建類型中選擇零件，使用缺省模板。 子類型選擇實(shí)體，名稱等默認(rèn)，然后點(diǎn)擊確定按鈕。如圖 圖 建立模型零件 圖 保存輸出 在 PROE 中分別建立動(dòng)力活塞模型、配氣活塞模型、配氣活塞氣缸和動(dòng)哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 28 力活塞 模型，在建立過程中要注意每個(gè)零件在坐標(biāo)系中的位置，嚴(yán)格按照CAD 圖紙上的尺寸個(gè)位置進(jìn)行建模，模型之后要導(dǎo)入到 GAMBIT 中，所要位置關(guān)系必須卻，不然將導(dǎo)致小型熱氣機(jī)模型整體的偏差。在建立完模型后，選擇 工具欄中保存選項(xiàng)下面的保存副本，點(diǎn)開后，選擇要保存文件的位置，名稱改為模型的名字，在類型選項(xiàng)中選擇 STEP 輸出。 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 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。 圖 導(dǎo)入模型對話框 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 29 如圖 點(diǎn)擊 IMPORT STEP FLIE 窗口右邊的 Browse 按鈕，找到零件的位置后，點(diǎn)擊確認(rèn)，并點(diǎn)擊 ACCEPT 按鈕，隨后依次導(dǎo)入動(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。查看模型位置關(guān)系，在確認(rèn)無誤后，進(jìn)行下一步操作。 然后對模型進(jìn)行下一步處理，點(diǎn)擊右邊工具欄，實(shí)體按鈕，找到 SPLIT VOLUME ，點(diǎn)擊打開，此功能為從某個(gè)體 中去除掉某個(gè)實(shí)體。 如圖 在 VOLUME 中選擇 volume。 1，在第三項(xiàng) VOLUMES 中選擇volume。 2 volume。 3，點(diǎn)選 Connected 按鈕，在確認(rèn)無誤后點(diǎn)擊 Apply。即成功將 volume。 2 volume。 3 從 volume。 1 去除。 接著選擇 volume LIST 功能，將 volume。 2 volume。 3 選擇到右側(cè)，點(diǎn)擊 Apply，此功能為將實(shí)體 volume。 2 volume。 3 刪除，選擇就剩下新的volume。 1 實(shí)體。 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。 同樣的將動(dòng)力活塞也定義為 WALL，命名為 move2，然后將配氣活塞氣缸地面選中，同樣定義為 WALL，命名為 dimian。 在定義完邊界面之后，就可以劃分網(wǎng)格了，選擇 Mesh Volumes， 在第一項(xiàng)中選擇 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 。 在劃分網(wǎng)格之后就要檢查下網(wǎng)格的質(zhì)量，如果質(zhì)量不達(dá)要求，就要重新劃分網(wǎng)格。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 32 圖 導(dǎo)出 MESH 文件 在檢查網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到要求之后，就可以輸出小型熱氣機(jī)模型了，在GAMBIT 菜單欄選擇 FLIE，選中 Export 中的 Mesh， 修改為自己需要的文件名，并選擇保存路徑。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。 本章小結(jié) 本章主要介紹了小型熱氣機(jī)模型的建立過程。首先根據(jù)數(shù)據(jù)繪制 CAD圖紙，然后通過 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)。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 33 第 5 章 熱氣機(jī)工作過程仿真 在建立小型熱氣機(jī)模型后，并通過 GAMBIT 軟件對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置邊界面等處理后，下一步就是在 FLUENT 中，運(yùn)用動(dòng)網(wǎng)格模型技術(shù)，對其工作過程進(jìn)行仿真。 熱氣機(jī)模型仿真處理 讀入 Mesh 網(wǎng)格文件 操作：點(diǎn)擊菜單欄中 FILE 中的 read， 選擇 case，找到文件的位置點(diǎn)擊 確認(rèn)導(dǎo)入小型熱氣機(jī)模型。 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)算。 顯示網(wǎng)格 操作：點(diǎn)擊 Display， 選擇 Grid， 在對話框中選擇要查看的網(wǎng)格部分即可。 圖 設(shè)置模型尺寸參數(shù) 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 34 設(shè)置模型尺寸參數(shù) 操作：點(diǎn)擊 Grid， 選擇 Scale， 打開對話框如圖 示， 在 Grid Was Created中選擇 mm，點(diǎn)擊 Scale， 然后關(guān)閉對話框 圖 開啟非穩(wěn)態(tài)求解器 開啟非穩(wěn)態(tài)求解器 操作：點(diǎn)擊 Define 中的 Models， 選擇 Solver 如圖 所示，在 Time 中，選擇 Unsteady， 在 Unsteady Formulation 中保持缺省設(shè)置，點(diǎn)擊 OK 完成操作。 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， 打開對話框如圖 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 Energy菜單。 圖 設(shè)置重力加速度 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 36 設(shè)置 Z 軸方向重力加速度 操作：點(diǎn)擊 Define，選擇 Operating conditions， 出現(xiàn)對話框如圖 所示，在 Gravity 上打鉤，在 Z 軸方向填寫重力加速為 ，點(diǎn)擊 OK 完成操作。 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。 圖 動(dòng)網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)設(shè)置 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 37 動(dòng)網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)設(shè)置 操作：點(diǎn)擊 Define， 然后選擇 Dynamic Mesh 中的第一項(xiàng) Parameters， 如圖 所示，在 Model 復(fù)選框中選擇 Dynamic Mesh 和 InCylinder， 在選擇InCylinder 后才允 許輸入相關(guān)數(shù)據(jù)。在 Methods 復(fù)選框中，將 Smoot