斯特林发动机闭式循环系统仿真研究

摘 要：在斯特林发动机闭式循环膨胀过程的分析过程中，气体的热力学性能至关重要。但是对气体的功耗和气体温度变化等数据无法像固体那样清晰可见。随着计算流体力学的发展，气体的各种形态都可以通过等温模型中的流体来模拟，对于气体的流动功耗、动态性状的调控等也可以在斯特林发动机闭式循环仿真系统进行计算。模拟计算的结果表明气体的主要计算难点在于气体的压力如何随着斯特林发动机的压缩和膨胀进行气体变化。

关键词：斯特林发动机；闭式循环；仿真

引言

斯特林发动机是一种热能到机械能的动力装置，其主要组成与内燃机等热机是类似的，即由热的发生系统、热-机械能转换系统、动力传递系统以及其他的保证发动机正常运转的一些辅助系统。斯特林发动机和普通内燃机根本区别是外部供热（燃烧）系统和闭式循环系统。外部供热系统的作用是给闭式循环系统提供能源，甚至家用发热燃料都可以成为斯特林发动机的外部热源[1]。但是要推广应用斯特林发动机目前在技术上还有许多问题有待解决。首先斯特林发动机闭式循环的内部气体流动是比较复杂的流动，运行过程中能量发生、传导、气体流动等过程互相交替，是一种往复式的交流换热过程。加强斯特林发动机内的热量传递与能量转化过程可以提高斯特林发动机的热效率，也是斯特林发动机研发工作的重要方向。其次准确预测斯特林循环系统在各种工作条件下的性能指标参数，并发展相应的控制规律。目前常规测试手段受到很多局限，因此发展仿真计算对斯特林发动机的研究来说十分必要。目前国外已有很多针对斯特林发动机工作过程的仿真计算，有很多分析模型[2]可以作为参考。

1 闭式循环仿真建模

无论任何流体计算都首先需要得到发动机的几何模型，在仿真中应用的模型必须经过三维建模软件来实现，实现的过程主要包括三个步骤，分别为建模、规范单位和导入。建模是指利用点线面的构造方法将现实物体数字化建立的过程，实现过程如下：（1）获取斯特林发动机数据。根据斯特林发动机设计手册获得各种斯特林发动机的典型代表设计数据，按1：1比例建立斯特林发动机边界封闭线。封闭线可直接存为矢量图，在任何三维软件中均可调用。（2）规范三维软件和虚拟现实接口的单位，各种软件的自定义单位：1个单位=1厘米；但在虚拟引擎中一般显示单位比例：1个单位=1米"。以便模型数据能以正确比例导入。（3）三维软件建模：导入新建单个封闭线，通过LOFT命令放样得到NURBS模型，为保证虚拟现实场景中的正确性，通常都转换为POLYGON导出。将斯特林发动机的大小严格按矢量图的标注，高度和位置严格参照竣工平面图中斯特林发动机的真实高度。个别不规则设备如活塞曲轴等在可以参照已知数据的比例来做，模型最后通过网格自适应网格细分等待计算。

2 闭式循环仿真

导入模型后，通过软件实现斯特林闭式循环的安装及动作过程。主要部件有：冷却器，燃烧室，加热管，活塞，回热器，轴传动，扭矩输出轴，其中气缸由两个或多个活塞构成，在活塞间有一个回热器。回热器上下各有活塞和气缸组成的膨胀腔（又叫热腔）和压缩腔（又叫冷腔）。这两个腔室的气体变化分别由活塞控制。回热器在一个闭式循环中不停地从气体吸收热能和向气体释放热能，整个过程中热腔的气体温度永远处于最高，而冷腔，即压缩腔的气体温度始终为最低气体温度，因而回热器的两端具有温差。大多数情况下对气体的各种变化忽略不计，一般假设活塞移动时无摩擦损失，无气体无泄漏，模拟的结果按照斯特林闭式循环就有四个过程组成[3]。（1）等温压缩过程：当冷腔活塞位于最低点时闭式循环开始，此时压缩腔气体最大；当膨胀腔气体为零，膨胀腔活塞处于最高点并靠近回热器，此时气体全部集中在压缩腔，气体温度为最低气体温度，气体压力也最低。气体在闭式循环始的压缩过程中，膨胀腔活塞在其最高点保持不动，而压缩腔活塞从最低点向外移动。随着压缩活塞的移动，气体在压缩腔中受到压缩，系统闭式循环气体逐渐缩小，当压缩活塞移动到其最高的固定点后，等温压缩过程结束。（2）等容加热过程：等容加热过成的模拟是主要表现压缩活塞，当其到达最高点时过程结束。膨胀活塞开始由最高点向最低点移动。整个过程中两个活塞作相反运动，压缩腔气体的缩小值等于膨胀腔气体的增大量，系统闭式循环总气体体积不变，过程是等容的。在整个过程中，压缩腔的气体变为零，而膨胀腔气体开始由零逐渐增大，结果是压缩腔中的气体全部被压到膨胀腔。气体从冷腔到热腔前，必须流经回热器并获得回热器的热能量，热量使气体温度从最低上升到最高（从回热器传给气体），最后流入膨胀腔。（3）等温膨胀过程：压缩活塞在最高点保持不动，膨胀活塞继续向其最低点移动，结果系统闭式循环总气体体积增大，压力下降，待膨胀活塞移动到最低点时过程结束。此时，系统闭式循环总气体已从最小体积变成最大体积。（4）等容冷却过程：压缩活塞从其最高点移动到最低点，同时膨胀活塞从其最低点移动到最高点，结果将膨胀腔中的气体全部压至压缩腔，在流经回热器时，回热器从气体吸走热能，使气体温度从最高温度下降到最低温度后流入压缩腔。当以上四个部分仿真完成后，就可以通过公式来计算闭式循环中的各种气体质量、动量和能量守恒方程。

3 闭式循环仿真结果

计算发现为了实现等温膨胀，热源必须通过气缸向气体供给热能。同时系统向外界做功带动活塞作相反的运动，使气体在高压下得到冷却，对气体假设为理想气体状态下，气体传给回热器的热能，以及回热器的气体温度变化和回热器的闭式循环的理论效率都会而影响闭式循环效率。其主要因素是流阻损失和热损失的大小。这两部分效率都与整个闭式循环的结构参数和气缸体积有关。影响回热器损失的主要因素有回热器的温差、回热器的热交换面积、回热器中的气体种类、回热器体积、单积流量等；影响活塞损失的主要因素有双活塞行程、气体的种类、气缸直径、气缸体积、活塞的长度、热腔的温度与冷腔的温度差；影响泵气损失的主要因素包括气缸直径、气缸体积与长度、热腔的温度与冷腔的温度差、气体的压差、等；而导热率又包括气体、气缸和活塞等的导热率，活塞的材料类型和气体类型对整体的导热率影响都很大，温差主要由这些部件的材质导热情况决定的，另外导热面积与部件的形状和结构尺寸有关。通过计算得知闭式循环气体温度在模拟中回热器过程中与实验真实数据相差较小，而加热器的是一个非常复杂的装置，气体温度在模拟中加热器过程中与实验真实数据相差较大。总体效果好坏直接影响发动机的特性，提高加热器的仿真精确度还有很长的路要走。

4 结束语

通过计算得知类似卡诺闭式循环效率和斯特林闭式循环的热效率相等，只与气体的最高温与最低温的差有关，气体温度差越大，热效率也就越大。但是通过系统控制模型，对斯特林闭式循环系统建立了数学分析模型。分析了其闭式循环的热力学性能、斯特林发动机机构动力学等。通过该模型对斯特林系统的稳态和动态性能进行了仿真分析，计算得知在气体恒定的条件下，发动机的功率是随着气体的温差和能量损耗变化而变化。本文所建立的系统模型不仅可用于分析系统性能，对斯特林发动机推广也具有一定的意义。

参考文献

[1]邹隆清，等.斯特林发动机[M].武昌：华中工学院出版社，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，董金钟.碟式斯特林发电系统性能分析模型与仿真[J].北京航空航天大学学报.2013，39（3），381-385.

作者简介：孙浩鹏（1975-），男（汉），吉林长春人，讲师，主要研究：计算机应用。

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