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1、学 号 06031217 密 级工程大学本科生毕业论文小型热气机模型工作过程仿真与分析院 （系）：动力与能源工程学院 专 业：热能与动力工程 学 号：06031217 学 生 姓 名：胡海滨 指 导 教 师：新玉 教授2010年6月 / 小型热气机模型工作过程仿真与分析 胡 海 滨 哈 尔 滨 工 程 大 学工程大学本科生毕业论文小型热气机模型工作过程仿真与分析 院 （系）：动力与能源工程学院 专 业：热能与动力工程 学 号：06031217 学 生 姓 名：胡海滨 指 导 教 师：新玉 教授2010年6月摘 要热气机(Stirling Engine)是一种由外部供热使工作气体在不同温度下作周
2、期性压缩和膨胀的闭式循环往复式发动机，相对于燃机而言，热气机具有燃料适应性强、工作平稳、振动噪声小、低排放等优点，是一种清洁、高效的动力设备。现代热气机的发展速度还是比较快，但是热气机的测试手段和水平仍然还比较简单，很多过程中的量难以测量，这些很大程度上影响了热气机技术的发展。本文针对这个问题，根据热气机的原理和工作过程，运用动网格模型技术模拟仿真小型热气机工作过程，并就影响热气机效率的因素进行分析研究。本文介绍了应用GAMBIT软件对模型的网格处理，对热气机运动过程进行了仿真，运用FLUENT软件对热气机模型进行计算，通过动网格技术对其进行动态模拟，对热气机的整个工作过程进行仿真，并在此基础
3、上对热气机模型气缸的温度场、压力场进行了全过程的数值模拟计算，得出了热气机气缸部各个时刻的温度场和压力场分布，并得到了热气机运行全过程的动态仿真结果，分析了影响热气机效率的因素，研究了温度、配气活塞厚度以与配气活塞与气缸间距对热气机效率的影响，分析提高热气机效率的方法和途径。关键词： 热气机 动网格 工作过程 数值仿真 ABSTRACTStirling engineis a working gas by external heating to different temperatures to make an in periodic cyclic compression and expansi
4、on of the closed engine, compared to internal combustion engine, the Stirling engine has a fuel adaptability, smooth vibration noise, low emissions, etc, is a clean, efficient power equipment. The development of the modern Stirling engine speed is relatively fast, but Stirling engine testing methods
5、 and standards are still relatively simple, many difficult to measure the amount of the process, which largely affected the Stirling engine technology. This article address this issue, according to Stirling principle and process of using the dynamic mesh model simulation technology for small Stirlin
6、g engine working process, and to affect the efficiency of Stirling engine analysis of the factors.This article describes the application of GAMBIT software model grid treatment, Stirling engine movement was simulated using FLUENT software model to calculate Stirling engine, through the dynamic simul
7、ation of its dynamic grid, the whole of the Stirling engine working process simulation, and in this model based on the Stirling engine cylinder temperature, pressure, the whole process of numerical simulation of a Stirling engine cylinder obtained every moment of the internal temperature and pressur
8、e distribution, and has been Stirling engine running the whole process of dynamic simulation results, analysis of the factors affecting the efficiency of Stirling to study the temperature, thickness, and valve piston valve piston and cylinder spacing on the efficiency of Stirlingengine, Stirlingengi
9、ne improve the efficiency of the methods and means.Key words： Stirling engine Dynamic Mesh Working process Numerical simulation目 录第1章 绪论11.1 热气机的概念11.2 热气机的发展历史与趋势31.3 本文的目的和意义61.4 本文的主要工作7第2章 斯特林发动机基本工作原理82.1 斯特林循环82.2 热气机的工作原理102.3 斯特林发动机运动规律122.4 本章小结13第3章 数值仿真软件基础153.1 GAMBIT软件简介153.2 FLUENT软件简介
10、163.3 动网格的基本理论和方法183.3.1 动网格的基本理论183.3.2 动网格的基本方法183.3.3 动网格问题的建立203.3.4 动网格的运动方式223.4 本章小结24第4章 热气机建模254.1 热气机模型假设254.2 建立热气机模型和PROE模型254.2.1 建立热气机模型254.2.2 建立PROE热气机模型264.3 热气机模型在GAMBIT中的处理284.4 本章小结32第5章 热气机工作过程仿真335.1 热气机模型仿真处理335.2 热气机模型仿真后处理445.3 热气机模型仿真结果分析485.4 本章小结49第6章 热气机效率影响因素分析506.1 温度对
11、热气机效率的影响506.2 配气活塞厚度对热气机效率的影响536.3 配气活塞与气缸间距对热气机效率的影响566.4 本章小结60结论61参考文献63致65第1章 绪论1.1热气机的概念热气机(国外称斯特林发动机stirlillg Engine)是一种新型的、利用外部能源加热的闭式循环活塞式发动机。它具有热效率高、环境特性好、运转平稳、扭矩转速特性好、基本上无滑油消耗以与能适用多种燃料或多种能源等特点，致使它具有很广泛的适用围，越来越受人们的重视。热气机因其独有的特点必将得到充分的发展，在动力系统中取得应有的地位和发挥其积极的作用，造福人类。从现代热气机技术的复兴至今已经60多年了，热气机的优
12、点已被越来越多的人所认同，但至今仍未大规模进入市场，其中的原因何在?成本问题、技术问题，还是宣传不够，抑或政策的因素，学术界对此有不同论点。上个世纪九十年代初，瑞典Kockums公司率先将热气机成功地用作潜艇的经航动力，从而使瑞典成为世界上第一个拥有了不依赖空气动力(AIP)潜艇的国家。实际使用证明：常规潜艇采用AIP技术之后，连续潜航能力由原来的数天提高到数周，其作战效能得到了大幅度的提高，这充分说明，热气机技术可以在特殊领域为用户创造极大的价值。另一个例子是，新西兰whisperTech公司研制的WhisperGen800小型热气机总能系统已于2002年投放欧洲市场，该机在输出750W电力
13、的同时，提供5kW的热量(50。C以上的热水)，该机有三种规格，分别适用于游艇的辅助动力、边远住宅与城市住房的热电联供系统。可见热气机无论在民用还是军用领域都有其独特的作用。在现代热气机中，热气机大致可分为两种不同的类型。单作用热气机和双作用热气机。现有的单作用热气机又可以分为三种类型：双活塞热气机、动力活塞和配气活塞在同一气缸的热气机，动力活塞和配气活塞分置在两个气缸的热气机。其他还有自由活塞式等都是在此基础上派生出去的。热气机是伦敦的牧师罗巴特 斯特林（Robert Stirling）于1816年发明的，所以命名为 “斯特林发动机”（Stirling engine）。斯特林发动机是独特的热
14、机，因为他们理论上的效率几乎等于理论最大效率，称为卡诺循环效率。斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。这是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气（或氦）作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程。 热气机可用氢、氮、氦或空气等作为工质，按斯特林循环工作。在热气机封闭的气缸充有一定容积的工质。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀作功燃料在气缸外的燃烧室连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。已设计制造的热气机有多种结构，可利用各种能源，已在航天、陆上、水上和水下等各个领域进行应用。试验热气机的功率传递机构分为曲柄连杆传动、菱形传动、斜盘或摆盘传动、液压传动和自由活塞传动等。斯特林热气机在理论上具有卡诺循环的效率，在实际应用中要达到这种效率却相当困难。即使要达到一样容积的柴油机效率，工质也必须在10MPa和700。C以上的高温高压下工作。提高斯特林发动机效率的关键就是要对热交换器性能、耐压耐热材料以与密封润滑技术作进一步的改善。其中热交换器的性能和工质的密封对热气机的特性有着决定性的影响，是极为重要的研究课题。影响热交换器性能的几个主要因素：工质的流动、传热以与热交换器的效率。热交换器的性能受到各种因素的影响，如压力、温度、容积、材料的导热
