【正文】 子多柔體動力學(xué)仿真模型 ................................40VII 多柔體動力學(xué)仿真模型的建立 ..............................40 約束與載荷施加 ..........................................40 隔離扇轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性分析 ......................................41 隔離扇氣缸接觸力計算 ...................................41 隔離扇運動學(xué)特性 ........................................42 隔離扇轉(zhuǎn)子動應(yīng)力計算 ...................................43 輸出軸扭矩特性 ..........................................46 隔離扇動力學(xué)特性參數(shù)化分析 .....................................47 隔離扇長度因素 ..........................................47 隔離扇厚度因素 ..........................................48 本章小結(jié) .......................................................49結(jié)論 .....................................................511．全文總結(jié) ........................................................512．論文創(chuàng)新點 ......................................................533．展望 ............................................................54參考文獻(xiàn) .................................................55致謝 .....................................................59VIII0第 1章 緒論 研究背景世界科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展促進(jìn)了微型機電系統(tǒng)（）研究領(lǐng)域的發(fā)展。但目前微型動力系統(tǒng)的發(fā)展僅是剛剛起步，因此多個國家及研究機構(gòu)均正聚焦于此研究方向。微型動力系統(tǒng)通過將高能量密度的液態(tài)燃料具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能或機械能，進(jìn)而為各種自動機器人、無線電子器件、微型飛行器、便攜式電腦等產(chǎn)品提供其所需的動力，這些產(chǎn)品在實際應(yīng)用中需要 的輸入功率。據(jù)調(diào)查，碳?xì)浠衔锬芰棵芏葹?，而應(yīng)用于日常便攜式電腦和手機產(chǎn)品的鋰離子電池kgMJ/504?的能量密度只有約 [4]，即便考慮到化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能時的部分能/量損失，例如供能效率為 6%時，同質(zhì)量下的碳?xì)浠衔锂a(chǎn)生的能量是電池輸出能量的 5 倍。在保證燃料供應(yīng)的情況下，微型發(fā)動機可以源源不斷地輸出穩(wěn)定功率，以保證可靠、及時地完成工作任務(wù)。另外，對具備較高能量密度的燃料電池來說，盡管基于氫的微型燃料電池已研制成功，其依然需要轉(zhuǎn)化裝置來對液態(tài)碳?xì)浠衔镏械臍溥M(jìn)行提取。因此研究人員普遍傾向于在已有發(fā)動機工作原理基礎(chǔ)之上，通過改變發(fā)動機的結(jié)構(gòu)形式來克服傳統(tǒng)發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易微小型化等缺點，全球幾個研究機構(gòu)在這種思路上進(jìn)行了有益的嘗試。實驗室的研究人員利用加工技術(shù)，在硅片上制作出了微型燃?xì)廨啓C的樣機，其外形尺寸：邊長MES，厚 。86在工作時，空氣從進(jìn)氣口處進(jìn)入壓氣機，經(jīng)壓氣機壓縮后由噴管將空氣加速并使之在通道內(nèi)與可燃?xì)怏w充分混合，經(jīng)過擴壓管增壓后混合氣進(jìn)入燃燒室進(jìn)行燃燒，由燃燒室流出的高溫氣體可以推動渦輪做功。該樣機需借助外部空氣進(jìn)行啟動，額定工況下每秒消耗空氣 （約 ），.生 的推力或 的旋轉(zhuǎn)機械功。然而，該微型燃?xì)廨啓C面臨著兩個基本問題：精密軸承上轉(zhuǎn)子在設(shè)計轉(zhuǎn)速2下旋轉(zhuǎn)的平衡問題和可燃混合氣微米級尺度下的持續(xù)穩(wěn)定燃燒問題。其設(shè)計、加工了排量在 之間、整機尺寸在 左右的 級轉(zhuǎn)子發(fā)動機樣3348~7mcm1MES機。該樣機面臨的問題主要是徑向和轉(zhuǎn)子端面處的漏氣現(xiàn)象。min/0r圖 加州大學(xué)伯克利分校 發(fā)動機樣機 [7]微 型 三 角 轉(zhuǎn) 子 微型擺式發(fā)動機密歇根大學(xué)采用了新型結(jié)構(gòu)形式對微型擺式發(fā)動機（） [8]進(jìn)行開發(fā)。相比活塞式發(fā)3動機，這種機構(gòu)可以減少振動，另外這種結(jié)構(gòu)沒有普通內(nèi)燃機的“死點”，不需借助外力即能啟動。該樣機中未采用任何主動密封裝置，而是完全依靠微米級加工精度來保證結(jié)構(gòu)的充分密封。圖 原理圖及其樣機 [8]微 型 擺 式 發(fā) 動 機 微型對置自由活塞發(fā)動機和Centr Techolgy Honywl Gergia目前正在研究一種對置式自由活塞發(fā)動機℃AFRLbRsFcAi ，如圖 5 所示 [9]，是其結(jié)構(gòu)原理圖。樣機通過活塞和氣缸之間的配合來實現(xiàn)密封，無專門的密封措施，故泄漏現(xiàn)象仍舊存在。4圖 結(jié)構(gòu)原理圖 [9]微 型 對 置 式 活 塞 發(fā) 動 機由以上調(diào)研可知，微小型發(fā)動機研究已經(jīng)進(jìn)入了樣機試制及實驗階段。 微型發(fā)動機的發(fā)展趨勢對微細(xì)加工的研究和微尺度燃燒的進(jìn)步為微小型發(fā)動機研究的發(fā)展提供了有利支持。未來微小型發(fā)動機的發(fā)展趨勢可歸納為：新型結(jié)構(gòu)及工作原理和新型材料的探索 [5]；微尺度下的流體流動、微燃燒特性和熱力學(xué)理論的研究；對微細(xì)加工技術(shù)的深入研究，解決微尺度密封問題。對微小型發(fā)動機的研究，可帶動微尺度流動和燃燒等基礎(chǔ)課題的開展。各地研究人員對最新設(shè)計的各種微燃燒裝置，均從理論分析、數(shù)值計算和實驗研究等角度，對系統(tǒng)中微尺度流動、燃燒存在的諸多問題進(jìn)行了研究。 [10]定義氣體通道尺寸小于 時為小尺度，Sham6[11]則指出小尺度的界限應(yīng)為 ， 是微尺度界限， 和Kandlikr 3?20Kew[12]基于拉氏常數(shù)提出了一個 常數(shù)（ ）來作為小CoweConubrt cfie尺度的界限。究主要集中于微米至毫米級范圍內(nèi)。微尺度下影響流體流動、燃燒特性的因素和這些因素的重要程度發(fā)生的變化主要表現(xiàn)如下：（1）表面積/體積比值（面容比）的變化流體流動特征尺度從厘米向毫米、微米發(fā)展時，流體的表面積和體積均隨之變小，但是表面積和體積的比值卻會變大，數(shù)值由 向 發(fā)展，這12m016會造成表面?zhèn)鳠岷捅砻媪鲃有?yīng)均加強 [16]，進(jìn)而影響微尺度的燃燒特性。因為層流對流的換熱系數(shù)和流動空間特征尺度的平方根之間滿足反比關(guān)系，所以流體空間特征長度變小時，會引起對流換熱系數(shù)的增大，造成熱損失增加。（4）流體流動狀態(tài)的變化流體流動時用來描述流動狀態(tài)的參數(shù)是雷諾數(shù) Re。（5）駐留時間變短對于微小尺度下的流體流動，粘性效應(yīng)和擴散效應(yīng)的作用是主要的，缸內(nèi)混合氣的形成主要憑靠擴散效應(yīng)。微小型動力裝置中小尺度的燃燒室有利于反應(yīng)物擴散、混合，其較高的轉(zhuǎn)速將使駐留時間縮短，造成燃料沒有充分?jǐn)U散、混合。微尺度下燃燒火焰的傳播和宏觀下火焰的傳播存在很大差別。 微尺度空間燃燒可行性的研究盡管微型動力機械具備很多優(yōu)點，但在微尺度下進(jìn)行持續(xù)燃燒的問題成為了主要問題。另有研究者在 研究工作的基礎(chǔ)上得出了結(jié)構(gòu)、材料和流速對可燃a混合氣的火焰淬熄的特征 [24][25]。但是，最近的部分試驗 [33][34]證明微小通道中進(jìn)行火焰?zhèn)鞑タ尚小?[35]、m?20Melish[36]及 [37]在實驗中分別驗證了甲烷與空氣的可燃混合氣在MiesBoyark內(nèi)徑的圓管中持續(xù)燃燒的可行性。盡管如此，微尺度下空間傳熱的不可測性等充分強調(diào)了建立詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型的必要性 [25][39]。 簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機的工作原理簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機 [42]這一新型的概念發(fā)動機是在微小型動力系統(tǒng)快速發(fā)展的大環(huán)境下提出的。簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機工作原理與傳統(tǒng)四沖程內(nèi)燃機相似，也包括進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣四個沖程，也是通過工質(zhì)的壓縮、做功驅(qū)動轉(zhuǎn)子和與之固聯(lián)的定心輸出軸轉(zhuǎn)動，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機械能。前后端蓋、前后簧片、轉(zhuǎn)子、缸體圍成燃燒室，簧片一端固聯(lián)于轉(zhuǎn)子溝槽中，另一端依靠彈性與氣缸壁保持接觸，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周過程中，每個燃燒室完成一次工作循環(huán)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示。結(jié)構(gòu)上采用對置的雙燃燒室，轉(zhuǎn)子型線由兩對對稱的圓弧構(gòu)成，以保證進(jìn)排氣7過程相互隔離。燃燒室的徑向密封由簧片在彈性作用下與氣缸的緊密貼合來保證，端面密封則依靠結(jié)構(gòu)的加工精度來實現(xiàn)。 （a ）進(jìn)氣過程 （b）壓縮過程 （c ）做功過程 （d）排氣過程圖 工作循環(huán)示意圖簧 片 轉(zhuǎn) 子 發(fā) 動 機這里以燃燒室 1 作為研究對象。由簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機的設(shè)計理念和工作原理不難發(fā)現(xiàn)，其有如下特點：（1）簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機部件外型結(jié)構(gòu)簡單，既可降低成本又可達(dá)到很高的加工精度，可以解決軸向密封的問題；（2）簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機精簡了傳統(tǒng)發(fā)動機的結(jié)構(gòu)，省去了傳統(tǒng)往復(fù)式發(fā)動機中的曲柄連桿機構(gòu)，提高了傳動效率，避免了慣性力和慣性力矩的平衡問題；（3）簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機中無偏心結(jié)構(gòu)，故可避免轉(zhuǎn)動不平衡帶來的不良影響，減少振動，降低噪音；（4）簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機需要潤滑的部件數(shù)目少，可以大大簡化整體結(jié)構(gòu)；（5）采用柔性簧片轉(zhuǎn)子，簧片與轉(zhuǎn)子緊貼缸體內(nèi)壁，解決了徑向密封問題；（6）宏觀來看，實現(xiàn)了發(fā)動機由剛性燃燒室向柔性燃燒室的過渡。對樣機燃燒室內(nèi)的氣體流動和燃燒特性的研究具有十分重要的意義，而且如何組織微小空間內(nèi)工質(zhì)的穩(wěn)定燃燒關(guān)乎發(fā)動機的功能能否實現(xiàn)。本文從以上兩個方面出發(fā)，對燃燒室內(nèi)的燃燒過程和隔離扇轉(zhuǎn)子動力學(xué)及運動學(xué)特性進(jìn)行數(shù)值建模計算，并校核模型所用的相關(guān)參數(shù)，為微小空間內(nèi)燃燒特性的研究和發(fā)動機的設(shè)計加工提供了精確的預(yù)測模型。對本課題的研究，可為微動力9系統(tǒng)的進(jìn)步、發(fā)展提供具有競爭力的產(chǎn)品支撐。（1）總結(jié)當(dāng)前國內(nèi)外微型動力系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，說明微小型發(fā)動機的發(fā)展趨勢，闡明隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，明確發(fā)動機中微小尺度空間流動、燃燒特性和隔離扇轉(zhuǎn)子非線性動力學(xué)特性。由發(fā)動機的工作原理和設(shè)計初衷，確定出其結(jié)構(gòu)形式和尺寸，明確各子系統(tǒng)的形式，闡明針對其關(guān)鍵問題所采取的措施。建立工作過程熱力學(xué)模型，結(jié)合燃燒、傳熱、漏氣等子模型對發(fā)動機燃燒室的性能特性進(jìn)行計算，闡明傳熱、漏氣、點火時刻、燃燒持續(xù)時間等對其性能的影響，并結(jié)合機械損失模型，對整機性能指標(biāo)進(jìn)行計算分析。通過對燃燒過程的數(shù)值模擬來計算分析燃燒室氣流流動和燃燒性能。（5）計算分析隔離扇轉(zhuǎn)子非線性動力學(xué)特性。10第 2章 隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機工作過程數(shù)值模擬隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機工作過程數(shù)值模擬目的在于建立發(fā)動機工作過程的熱力學(xué)模型，進(jìn)一步了解發(fā)動機工作過程和性能特性，同時研究分析發(fā)動機性能影響因素及規(guī)律，為其性能預(yù)測及方案改進(jìn)奠定理論基礎(chǔ)。 燃燒模型綜述對發(fā)動機燃燒性能仿真研究起始于 20 世紀(jì) 50 年代。目前廣泛采用的燃燒模型主要有：零維模型、準(zhǔn)維模型和多維模型。準(zhǔn)維模型將發(fā)動機燃燒室分為兩個部分：已燃區(qū)域、未燃區(qū)域。雖然準(zhǔn)維模型可以對火焰?zhèn)鞑ミ^程進(jìn)行模擬，其預(yù)測精度較零維模型有所提高，但基本原理相同，依舊無法就室內(nèi)流動及燃11燒過程的細(xì)節(jié)特征來進(jìn)行描述。通過比較三種類型的燃燒模型，發(fā)現(xiàn)零維模型可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測燃燒室內(nèi)燃燒過程的宏觀性能參數(shù)，其計算方法簡便，成本較低，是目前最成熟、應(yīng)用最廣泛的模擬缸內(nèi)工作過程的燃燒模型，故本文首先以零維模型模擬隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機的工作過程，計算得到缸內(nèi)工質(zhì)主要的狀態(tài)參量，并基于此對發(fā)動機的綜合性能進(jìn)行預(yù)測。后端蓋上可安裝飛輪，飛輪安裝空間處具有與外界大氣相通的孔道，以確保飛輪不因氣阻作用而受到額外的轉(zhuǎn)動阻力。圖 發(fā)動機整機結(jié)構(gòu)裝配圖圖 中，前缸蓋、氣缸和后端蓋通過螺栓連接在一起，輸出軸通過軸承安裝于前缸蓋與后端蓋上。轉(zhuǎn)子在輸出軸上可繞軸轉(zhuǎn)動，以保證裝配合理。前端蓋與前缸蓋間設(shè)有調(diào)整墊片，用以調(diào)節(jié)發(fā)動機的軸向裝配精度，避免因加工尺寸引起的裝配問題。此外，發(fā)動機燃燒室面容比較大，其機械應(yīng)力也較大。為避免轉(zhuǎn)子在工作過程中膨脹卡死，以及高溫對其強度特性的影響，本文在保證結(jié)構(gòu)強度和工作剛度的條件下在轉(zhuǎn)子內(nèi)設(shè)置空腔，這樣既可增強散熱，也可減輕轉(zhuǎn)子重量。此外，為避免轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中燃燒室內(nèi)壓力、漏氣量的不均衡性使轉(zhuǎn)子輸出軸受到彎曲應(yīng)力和橫向力引起轉(zhuǎn)子與端蓋之間的摩擦，在轉(zhuǎn)子上設(shè)置氣壓平衡孔，來減小外界阻力對轉(zhuǎn)子輸出軸轉(zhuǎn)動造成的影響。本文中的隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機無需進(jìn)行徑向密封，其依靠張緊彈簧的彈性作用即可完成。針對微小型發(fā)動機面臨的密封問題，本文主要通過以下措施實現(xiàn)：（1）提高零部件加工精度，減小汽缸漏氣面積；（2）在轉(zhuǎn)子與前、后端蓋等接觸部位涂潤滑油以形成油膜，在潤滑的同時亦可保證轉(zhuǎn)子與端蓋間密封；（3）對于隔離扇與前、后端蓋間的密封，可在燃料中添加適當(dāng)比例的蓖麻油作潤滑油，潤滑油可在燃燒室中前、后端蓋處形成油膜來實現(xiàn)潤滑與密封；（4）發(fā)動機點火后，隔離扇在高溫下的膨脹也有利于減小其與端蓋間的間隙；（5）轉(zhuǎn)子與端蓋間間隙為微米級，故火焰無法在間隙內(nèi)傳播。燃燒13室由轉(zhuǎn)子、隔離扇、氣缸及前后端蓋圍成，因為燃燒室壓縮比的決定因素為轉(zhuǎn)子火力側(cè)型線和氣缸型線等。圖 燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖本文提