斯特林發動機閉式循環系統仿真研究

摘 要：在斯特林發動機閉式循環膨脹過程的分析過程中，氣體的熱力學性能至關重要。但是對氣體的功耗和氣體溫度變化等數據無法像固體那樣清晰可見。隨著計算流體力學的發展，氣體的各種形態都可以通過等溫模型中的流體來模擬，對于氣體的流動功耗、動態性狀的調控等也可以在斯特林發動機閉式循環仿真系統進行計算。模擬計算的結果表明氣體的主要計算難點在于氣體的壓力如何隨著斯特林發動機的壓縮和膨脹進行氣體變化。

關鍵詞：斯特林發動機；閉式循環；仿真

引言

斯特林發動機是一種熱能到機械能的動力裝置，其主要組成與內燃機等熱機是類似的，即由熱的發生系統、熱-機械能轉換系統、動力傳遞系統以及其他的保證發動機正常運轉的一些輔助系統。斯特林發動機和普通內燃機根本區別是外部供熱（燃燒）系統和閉式循環系統。外部供熱系統的作用是給閉式循環系統提供能源，甚至家用發熱燃料都可以成為斯特林發動機的外部熱源[1]。但是要推廣應用斯特林發動機目前在技術上還有許多問題有待解決。首先斯特林發動機閉式循環的內部氣體流動是比較復雜的流動，運行過程中能量發生、傳導、氣體流動等過程互相交替，是一種往復式的交流換熱過程。加強斯特林發動機內的熱量傳遞與能量轉化過程可以提高斯特林發動機的熱效率，也是斯特林發動機研發工作的重要方向。其次準確預測斯特林循環系統在各種工作條件下的性能指標參數，并發展相應的控制規律。目前常規測試手段受到很多局限，因此發展仿真計算對斯特林發動機的研究來說十分必要。目前國外已有很多針對斯特林發動機工作過程的仿真計算，有很多分析模型[2]可以作為參考。

1 閉式循環仿真建模

無論任何流體計算都首先需要得到發動機的幾何模型，在仿真中應用的模型必須經過三維建模軟件來實現，實現的過程主要包括三個步驟，分別為建模、規范單位和導入。建模是指利用點線面的構造方法將現實物體數字化建立的過程，實現過程如下：（1）獲取斯特林發動機數據。根據斯特林發動機設計手冊獲得各種斯特林發動機的典型代表設計數據，按1：1比例建立斯特林發動機邊界封閉線。封閉線可直接存為矢量圖，在任何三維軟件中均可調用。（2）規范三維軟件和虛擬現實接口的單位，各種軟件的自定義單位：1個單位=1厘米；但在虛擬引擎中一般顯示單位比例：1個單位=1米\"。以便模型數據能以正確比例導入。（3）三維軟件建模：導入新建單個封閉線，通過LOFT命令放樣得到NURBS模型，為保證虛擬現實場景中的正確性，通常都轉換為POLYGON導出。將斯特林發動機的大小嚴格按矢量圖的標注，高度和位置嚴格參照竣工平面圖中斯特林發動機的真實高度。個別不規則設備如活塞曲軸等在可以參照已知數據的比例來做，模型最后通過網格自適應網格細分等待計算。

2 閉式循環仿真

導入模型后，通過軟件實現斯特林閉式循環的安裝及動作過程。主要部件有：冷卻器，燃燒室，加熱管，活塞，回熱器，軸傳動，扭矩輸出軸，其中氣缸由兩個或多個活塞構成，在活塞間有一個回熱器。回熱器上下各有活塞和氣缸組成的膨脹腔（又叫熱腔）和壓縮腔（又叫冷腔）。這兩個腔室的氣體變化分別由活塞控制。回熱器在一個閉式循環中不停地從氣體吸收熱能和向氣體釋放熱能，整個過程中熱腔的氣體溫度永遠處于最高，而冷腔，即壓縮腔的氣體溫度始終為最低氣體溫度，因而回熱器的兩端具有溫差。大多數情況下對氣體的各種變化忽略不計，一般假設活塞移動時無摩擦損失，無氣體無泄漏，模擬的結果按照斯特林閉式循環就有四個過程組成[3]。（1）等溫壓縮過程：當冷腔活塞位于最低點時閉式循環開始，此時壓縮腔氣體最大；當膨脹腔氣體為零，膨脹腔活塞處于最高點并靠近回熱器，此時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。氣體在閉式循環始的壓縮過程中，膨脹腔活塞在其最高點保持不動，而壓縮腔活塞從最低點向外移動。隨著壓縮活塞的移動，氣體在壓縮腔中受到壓縮，系統閉式循環氣體逐漸縮小，當壓縮活塞移動到其最高的固定點后，等溫壓縮過程結束。（2）等容加熱過程：等容加熱過成的模擬是主要表現壓縮活塞，當其到達最高點時過程結束。膨脹活塞開始由最高點向最低點移動。整個過程中兩個活塞作相反運動，壓縮腔氣體的縮小值等于膨脹腔氣體的增大量，系統閉式循環總氣體體積不變，過程是等容的。在整個過程中，壓縮腔的氣體變為零，而膨脹腔氣體開始由零逐漸增大，結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，必須流經回熱器并獲得回熱器的熱能量，熱量使氣體溫度從最低上升到最高（從回熱器傳給氣體），最后流入膨脹腔。（3）等溫膨脹過程：壓縮活塞在最高點保持不動，膨脹活塞繼續向其最低點移動，結果系統閉式循環總氣體體積增大，壓力下降，待膨脹活塞移動到最低點時過程結束。此時，系統閉式循環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移動到最低點，同時膨脹活塞從其最低點移動到最高點，結果將膨脹腔中的氣體全部壓至壓縮腔，在流經回熱器時，回熱器從氣體吸走熱能，使氣體溫度從最高溫度下降到最低溫度后流入壓縮腔。當以上四個部分仿真完成后，就可以通過公式來計算閉式循環中的各種氣體質量、動量和能量守恒方程。

3 閉式循環仿真結果

計算發現為了實現等溫膨脹，熱源必須通過氣缸向氣體供給熱能。同時系統向外界做功帶動活塞作相反的運動，使氣體在高壓下得到冷卻，對氣體假設為理想氣體狀態下，氣體傳給回熱器的熱能，以及回熱器的氣體溫度變化和回熱器的閉式循環的理論效率都會而影響閉式循環效率。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閉式循環的結構參數和氣缸體積有關。影響回熱器損失的主要因素有回熱器的溫差、回熱器的熱交換面積、回熱器中的氣體種類、回熱器體積、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；而導熱率又包括氣體、氣缸和活塞等的導熱率，活塞的材料類型和氣體類型對整體的導熱率影響都很大，溫差主要由這些部件的材質導熱情況決定的，另外導熱面積與部件的形狀和結構尺寸有關。通過計算得知閉式循環氣體溫度在模擬中回熱器過程中與實驗真實數據相差較小，而加熱器的是一個非常復雜的裝置，氣體溫度在模擬中加熱器過程中與實驗真實數據相差較大。總體效果好壞直接影響發動機的特性，提高加熱器的仿真精確度還有很長的路要走。

4 結束語

通過計算得知類似卡諾閉式循環效率和斯特林閉式循環的熱效率相等，只與氣體的最高溫與最低溫的差有關，氣體溫度差越大，熱效率也就越大。但是通過系統控制模型，對斯特林閉式循環系統建立了數學分析模型。分析了其閉式循環的熱力學性能、斯特林發動機機構動力學等。通過該模型對斯特林系統的穩態和動態性能進行了仿真分析，計算得知在氣體恒定的條件下，發動機的功率是隨著氣體的溫差和能量損耗變化而變化。本文所建立的系統模型不僅可用于分析系統性能，對斯特林發動機推廣也具有一定的意義。

參考文獻

[1]鄒隆清，等.斯特林發動機[M].武昌：華中工學院出版社，1985

[2]Walker G，Reader G，Fauvel 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.碟式斯特林發電系統性能分析模型與仿真[J].北京航空航天大學學報.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：計算機應用。