小型热气机模型工作过程仿真及分析毕业论文.doc

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1、学 号 06031217 密 级 哈尔滨工程大学本科生毕业论文小型热气机模型工作过程仿真及分析院 （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：张新玉 教授2010年6月小型热气机模型工作过程仿真及分析 胡 海 滨 哈 尔 滨 工 程 大 学哈尔滨工程大学本科生毕业论文小型热气机模型工作过程仿真及分析 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：张新玉 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

2、同温度下作周期性压缩和膨胀的闭式循环往复式发动机，相对于内燃机而言，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

3、真，并在此基础上对热气机模型气缸内的温度场、压力场进行了全过程的数值模拟计算，得出了热气机气缸内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、配气活塞厚度以及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 engine is a working gas by external heating to different temperatures to make an in periodic cyclic compression a

4、nd expansion 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 testi

5、ng methods 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 sma

6、ll Stirling 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 dyn

7、amic simulation 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 a

8、nd pressure 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 Stirling engine, S

9、tirling engine 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 热气机的发展历史及趋势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.

10、2 FLUENT软件简介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

11、素分析506.1 温度对热气机效率的影响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致谢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及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范围，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

12、至今已经60多年了，热气机的优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

13、洲市场，该机在输出750W电力的同时，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、边远住宅及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 engi

14、ne）。斯特林发动机是独特的热机，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内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内连续燃烧，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

15、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。即使要达到相同容积的柴油机效率，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、耐压耐热材料以及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、传热以及热交换器的效率。热交换器的性能受到各种因素的影响，如压力、温度、容积、材

16、料的导热性能，几何形状、布置方式、工质的性质和流动损失等。而这些因素又相互影响，使热交换过程的机理复杂化。迄今为止，尚无成熟的计算理论。热气机具有很多其他动力机械没有的优点，多种能源的高度适应性；优良的环境特性；低负荷下的高效率；可靠性高和维修成本低。能用各种能源，无论是液态的、气态的或固态的燃料，当采用载热系统(如热管)间接加热时，几乎可以使用任何高温热源(太阳能放射性同位素和核反应等)，而发动机本身(除加热器外)不需要作任何更改。同时热气机无需压缩机增压，使用一般风机即可满足要求，并允许燃料具有较高的杂质含量。热气机实际循环效率较高，已接近柴油机，排气中有害成分较少，噪声较低。因燃料是在较

17、多的过量空气下连续燃烧的，热气机无需气门机构，无爆炸燃烧，运行平稳振动小。热气机在很宽的速度范围内具有良好的扭矩特性，适于车辆使用，曲轴每转的扭矩均匀度小，润滑油消耗量也少。此外热气机在运行时，由于燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，独立于燃气的工质通过加热器吸热，并按斯特林循环对外做功，因此避免了类似内燃机的震爆做功和间歇燃烧过程，从而实现了高效、低噪和低排放运行。高效：总能效率达到80%以上；低噪：1米处裸机噪音底于68dBA；低排放：尾气排放达到欧5标准。 热气机单机容量小，机组容量从2050kw，可以因地制宜的增减系统容量。结构简单，零件数比内燃机少40，降价空间大，同时维护成本也较低。但

18、是热气机还有其自身急需解决的问题，一直未进入批量化生产，制造成本高；负荷调节响应慢。工质密封技术较难，密封件的可靠性和寿命还存在问题，功率调节控制系统较复杂，机器较为笨重。1.2 热气机的发展历史及趋势最初的热气机主要用于矿山水泵的驱动等，希望其能替代蒸汽机，但在问世后的几十年内由于受当时条件的限制，功率和效率都很低，被晚发明半个世纪的内燃机所淘汰。在20世纪70年代，世界范围内爆发的石油危机使人们重又想到了热气机，而此时新材料、新工艺的水平已可保证热气机在高水平方向上发展。时至今日，通过逐步的技术改进，热气机已在一些领域得到实际应用，其在一些特殊领域(如太阳能热发电、家用微型热电联供装置等)

19、体现出的能力正使其得到越来越多的重视，热气机借助于新技术和新材料，已脱胎换骨成为一种新型的能量转化装置。自从1816年斯特林发动机出现以来，已经经历了近200年的发展历史，无数人为热气机的发展贡献着他们的青春和汗水。1816年Robert Stirling发明了闭式循环热气机，1851年John Ericssion 制造成功了44。4KW的外燃式开式循环热气机，1953年缸径4。26m的超大型热气机，总功率达220KW，效率13%，装在了2000T的明轮船上，1916年最后一台老式热气机出厂。1937年荷兰菲利普公司开始了现代热气机的研究和开发，改公司设计了几十种型号的热气机，并对热气机技术做

20、了一些根本性的改革，使得斯特林发动机的效率和功率大幅度提高，让热气机在各种性能上得到了长足的发展。菲利普公司的创新主要在于，采用了菱形传动机构，保证活塞和活塞杆的直线运动，从而解决了密封的一些问题，更进一步的是，在工质上，他们采用了氢气或氦气为工质，传热性提高，比重和粘度降低，从而显著的提高了惹交换器的效率。菲利普公司还发明了袜套式密封装置，该装置的创新为研究高效密封装置开辟了新的方向。后来很多从事斯特林发动机研究的公司大部分与菲利普公司有渊源。1958年，美国通用发动机公司研制成功了卫星用太阳能斯特林发动机发电机组，还研制了军用3千瓦轻便式无声发电机组，其声音在35米外几乎听不到，性能优越。

21、1972年，美国福特汽车公司于菲利普合作研制了车用斯特林发动机。该发动机的功率为72。3马力，最低油耗仅为159克/马力每小时。1968年，瑞典私营科克姆造船厂于国营军用工厂FFV组成了联合斯特林发动机公司。该公司研究进度较快，很快研制了P40、P75、P150、U4P-95等型号，其中最成功的是U4P-95，其为双曲轴传动的四缸并列双作用式斯特林发动机，功率为55马力，转速为4000r/min。1976年，日本船舶技术研究所、日本造船研究会和日本活塞环公司开式研究船用斯特林发动机，研制的样机为四缸直列式，功率为800马力。1978年，日本精机公司研制了功率为50千瓦的斯特林发动机。之后英国、

22、法国、加拿大和前苏联等国家，也开始了对斯特林发动机的研制工作。2005年8月Edison International公司和SES公司签订20年采购协议，将建造世界上最大的超过20000个太阳能光碟列阵，占地达18平方公里，具备500MW发电能力的太阳能绿色发电站，这是斯特林在商业发电领域的第一次大规模应用。2005年10月SES与SDG&E公司签订了提供300-900MW太阳能电力的合同，该发电厂将由在大约3平方英里的12000个斯特林太阳能光碟组成。我国于上世纪70年代中期开始斯特林发动机的研究，起步较晚，1981年某研究所研制了200W的试验机，成功演示了斯特林发动机的工作过程。1982年

23、8月，中国内燃机学会和国家科委攻关局在上海召开了“内燃机攻关项目选题专家座谈会”，会议确定斯特林发动机、绝热发动机和电子控制内燃机这三个项目为主要研究项目。1984年6月，第二届国际斯特林发动机会议在上海举行，使得我国斯特林的研究不断进步。1984年底，沈岳瑞等人在旧金山IECEC(美国主办的能源会议)会议上联合发表斯特林发动机用于发展中国家实现农村电气化的论文，得到国际同行的广泛赞同。在以后的会议中成为斯特林应用前景的讨论热点之一。在711研究所任职期间，沈岳瑞还创立我国第一个斯特林发动机(热气机)实验室。711研究所之后再斯特林发动机的研究上发展较快，在斯特林发动机领域获得了突出的成绩，在

24、国内外处于领先地位。经历了数十年的研究和开发，热气机技术已经日趋成熟，从技术上来说已完全具备走出实验室、走向实用的条件。具体而言，其标志是关键技术均已取得突破，应用研究也已取得积极的成果。在技术上，热气机性能分析技术，燃烧技术，热交换器技术，密封技术，传动技术，功率控制技术等日益完善。热气机的未来发展将更多的应用新材料(如陶瓷)和新工艺，以降低造价；对实际循环进行理论研究，完善结构，提高性能指标；在应用方面，正大力研究汽车用的大功率燃煤热气机、太阳能热气机和特种用途热气机等。未来不同应用领域热气机的发展方向主要有三个1、太阳能发电对于太阳能发电用热气机，由于一般都安装在边远地区，维护相当困难，

25、因此可靠性和维修性：将是首先要考虑的因素。其次，重量要求比较轻，有利于简化聚光器支撑和驱动机构，还需要完全自动控制。因此自由活塞式热气机将是首选的形式。工质可以使用氢气，工质的补充可以采用电解水产氢装置。采用与蓄电池并联的浮充电方式，可简化控制要求。2、分布式发电系统对于分布式发电系统用热气机，首先应设法降低成本，必须作到4000 元/KW以下。并且应使用方便，自动化程度高，无须专人值守。还应足够可靠，大修期应不低于8000小时，寿命不低于24000小时。由于采用以热定电运行模式，因此，发电热效率不是主要的追求目标，可以通过降低加热器工作温度、采用普通不锈钢材料来降低成本。3水下动力系统对于水

26、下用热气机，满足安全的要求是第一位的，因此，必须采取有效措施防止氧气的泄漏；同时，综合考虑安全性和高性能的要求，热气机的工质也只能用氦气。必须注重可靠性的提高，可靠性直接影响装备的在航率和维护成本，通过适当的维护，起码应保证MTBF2000小时。1.3 本文的目的和意义随着全球能源与环保的形势日趋严峻，热气机由于其具有多种能源的广泛适应性和优良的环境特性已越来越受到重视，所以，在水下动力、太阳能动力、空间站动力、热泵空调动力、车用混合推进动力等方面得到了广泛的研究与重视，并且已得到了一些成功的应用。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

27、的发展。本文的目的是研究热气机的运行全过程，对其进行数值仿真，分析在动态过程中温度、配气活塞厚度等对热气机效率的影响。以往研究热气机运动过程的仿真中，没有对工作过程有很深的分析，本文将在对热气机整个工作过程进行模拟，对热气机运行的整个过程动态模拟，为提高热气机效率提供参考。1.4 本文的主要工作本文的主要工作是以热气机、热力学和流体力学的理论基础为基础，并在研究热气机工作过程理论的基础上，对模型热气机进行仿真研究，然后结合GAMBIT和FLUENT等软件模拟热气机运行，运用动网格技术，将热气机工作过程形象的表达出来，最后对其进行性能分析，研究提高热气机效率的方法和途径。具体的工作内容包括以下方

28、面：1、学习热气机的基本工作原理，分析影响热气机效率的各个因素。2、建立热气机模型，并运用GMBIT及FLUENT对其处理。3、运用动网格技术模拟热气机运行过程。4、在FLUENT动网格模拟后，对影响热气机效率的因素分别进行分析和计算，进行数值分析。第2章 斯特林发动机基本工作原理斯特林发动机的种类多种多样，经过前人的努力，效率愈见提高，斯特林对于热力学理论的研究，就是从提高热机效率的目的出发的。他所提出的斯特林循环的效率，在理想状况下，可以无限提高。当然受实际可能的限制，不可能达到100，但提供了提高热效率的努力方向。2.1 斯特林循环斯特林循环是热气机的理想循环，是一个高度理想化的热力过程

29、。它由两个定温过程(定温压缩和定温膨胀)和两个定容回热过程(定容吸热和定容放热)所组成。这四个工作过程如图2.1所示。过程12为定温压缩过程。工质的容积从V1被压缩至V2：过程中工质向冷源放热，以保持温度TC不变，但工质压力升高。过程23为定容吸热过程。过程中工质容积保持不变，但低温工质经过回热器装置并吸取其热量。可以把回热器设想成是一块交替地放热和吸热的热力海绵。于是工质温度从了TC升高到TB，工质压力也升高。过程34为定温膨胀过程。过程中工质膨胀并从热源不断吸取热量，使工质温度TE维持不变，但压力下降。过程41为定容放热过程。工质在容积不变的情况下将热量释放给回热器，工质的温度相压力均下降

30、拉回复到始点状态。至此，一个循环完成了。由于工质流过回热器进行热交换是在定容远程中完成的，所以，有时又将斯特林循环称为定容回热循环。为了进行比较，在图1中还示明了卡诺循环。卡诺循环是由两个定温过程(图中的l2和34)和两个绝热过程(2 3和41)所组成的可逆循环。卡诺循环的热效率仅与热源和冷源的温度有关，与工质的性质和热机的类型等无关。从热力学的观点看，卡诺循环是最有利的一种热力循环，具有最高的热效率。在冷源与热源的温度比值相同的情况下，任何一种热机的循环效图2.1斯特林循环与卡诺循环的比较率都不可能高于卡诺循环的效率。斯特林循环与卡诺循环的共同特点是；两者的压缩过程和膨胀过程都是在定温条件下

31、完成的，不同的是其余的两个过程。斯特林循环在极限回热的情况下，其定容放热过程4l所释放的热量与定容吸热过程23所吸收购热量相等，于是其效果和卡诺循环的两个绝热过程相当。所以，在相同的循环温度比条件下，斯特林循环热效率与卡诺循环热效率相同。在PV图中，由循环过程所组成的面积表示循环功的大小。斯特林循环优于卡诺循环的地方，是它用两个定容回热过程代替卡诺循环的两个绝热过程。斯特林循环的定温过程线l2和34是由卡诺循环的12和34延伸而来的，结果大大增加了斯特林循环功图的面积。从图l2可见，在给定的压力、温度和容积界限下，斯特林循环的循环功(面积12341)比卡诺循环功(面积12341)要大。P一V图

32、中的阴影面积代表斯特林循环比卡诺循环增加的功，TS图中的阴影面积则代表斯特林循环比卡诺循环需要增加的热量。输入热量增加了，但输出功也相应增加，其输入热量转换为功的比例(即热效率)仍与卡诺热效率相同。由平均指示压力来分析，在循环压力和温度相同的情况下，目前已试制成的热气机中，每升气证工作容积能产生150KW的功率，而目前内燃机是难以达到的。2.2 热气机的工作原理根据斯特林循环来工作的热气机的结构是多种多样的，然而工作原理都是相同的，他们的基本结构都包括一个热源、一个冷源、一个热腔、一个冷腔、一个动力活塞和一个配气活塞等。图2.2所示就是热气机的循环系统及其动作过程。图中的热气机系统由一个装有两

33、个活塞的气缸构成，两个活塞之间没有回热器。回热器在一个循环中交替地从工质吸收热能和向工质释放出热能，回热器两侧由活塞和气缸组成的腔室分别形成热腔和冷腔。这两个腔室的容积变化分别由配气活塞控制，膨胀腔处设置有使工质做等温膨胀的加热器H，对工质加热使其保持高温Tmax，在压缩腔处设置有能将压缩热从被压缩的工质中导出的冷却器C，住在冷腔的工质保持低温Tmin。并假设气缸中没有工质泄漏的问题，回热器的效率等于I，即在各个方向上的导热为零，并且活塞运动中无摩擦损失。热气机的工作过程可以描述如下：1)等温压缩过程，循环开始时，动力活塞处于下止点，此时冷腔容积最大，配气活塞处于上止点，此时热腔容积为零，全部

34、工质都集中在冷腔，工质温度为最低循环温度Tmin。，压力也最低。在压缩过程12中，配气活塞向止点移动，动力活塞保持不动，此时系统容积缩小，工质在冷腔内受到压缩，压力增加，直到动力活塞移动到上止点前一定距离后，压缩过程结束，如图中2位置所示，此时压缩产生的热量Qc由冷却器被排到外面去，而使工质温度保持不变。2)在等容加热过程2一3中，活塞位置从2开始，两个活塞同时运动，其中动力活塞继续向上止点运动，直到紧靠回热器为止，冷腔容积为零，配气活塞向下止点方向移动，所以两个活塞之间的容积保持不变。此时，工质通过回热器从冷腔转移到热腔。工质通过问热器时吸收热量，温度从Tmin上升到Tmax，并流入热腔中。

35、由于工质通过回热器而使温度提高，又是在等容条件下进行的，因而导致了压力也增加。3)在等温膨胀工作过程34中，动力活塞在下止点保持不动并紧靠回热器，此时配气活塞继续朝着背离回热器方向，向上止点运动，结果系统容积逐渐增大压力下降，直到配气活塞移动到下止点时过程结束。此时系统容积从最小值扩大到最大值，为了实现等温膨胀，加热器向工质加热QB；以便使工质温度保持不变。4)在等容冷却过积41中，两个活塞又同时运动，动力活塞向上止点运动，而配气活塞向上止点运动，两个活塞之间的容积保持不变。这时工质通过回热器从热腔返回冷腔。在工质通过回热得时，热量从工质传给了回热器工质温度降低到Tmin。在这过程中把工质的热

36、量释放给回热器储存起来直到下一循环的过程23中再传递给工质。这样热气机的循环系统就完成了斯特林循环的整个工作过程。如此周而复始就组成热气机的连续工作循环。 图2.2 热气机工作原理示意图图2.3活塞连续运动与不连续运动P-V图实际上，工质也不可能为理想气体，同样的，不论工艺水平多么高，还是可能有损失和泄漏的，并且活塞的运动不是间断的而是连续的，所以热气机的实际热效率远远低于理想循环的热效率。由于活塞运动的连续性，循环的四个过程很难明显划分，人为地划分是为了更好的分析过程，提高效率。因此实际上冷热腔的容积变化决定于传递活塞运动的传动机构的运动规律。般接近于正弦变化曲线。而如图2.3PV图上曲线变

37、化也是圆角。2.3 斯特林发动机运动规律当然，无法建造配气活塞式热气机的活塞作连续运动的活塞传动机构，因而只能寻求接近不连续运动的活塞传动机构。在现代热气机中配气活塞式热气机通常都采用菱形传动机构。配气活塞式热气机的菱形传动机构一共需要两根曲轴、六根连杆、两根活塞杆和两块拉板。动力活塞与动力活塞杆相连，动力活塞杆的另端则与上拉板相接。配气活塞杆的一端连接配气活塞，另端与下拉板连接。因为配气活塞杆要穿过动力活塞、动力活塞杆和上拉板，所以动力活塞杆的中间是空心的，动力活塞和上拉板的中央都得钻孔，使配气活塞杆能够顺利的通过。上、下两板拉扳的两端与连杆小端连接，而连杆大端则分别与两根逆向转动的曲轴相连

38、接。通常动力活塞的上拉板两端各设置两根连杆，而配气活塞的下拉扳两端各设置两根连接六根连杆是等长的。两根逆向旋转的曲轴由两个同步齿轮同步，并在同步齿轮卜配置平衡重块。菱形传动机构使活塞作连续运办活塞的运动规律虽不是简单的简谐运动，但却提供了理想斯待林循环活塞运动的极好的近似性，良好的平衡性(主要不平衡力都可平衡)。由于采用菱形传动，可以在冷腔下方设置一个缓冲底，图2.4曲轴转角及活塞运动规律在斯特拉发动机运动中，不难发现，配气活塞和动力活塞的运动规律是相同的，实际上配气活塞的运动比动力活塞快四分之一个周期，一个周期为360度，即配气活塞比动力活塞快90度。这对于研究斯特拉发动机的运动以及提高效率

39、是有帮助的，在后面仿真中，就要注意配气活塞和动力活塞之间的运动关系。2.4 本章小结本章介绍了斯特林循环的过程，并和卡诺循环做对比，深入分析热气机可实现的最大效率，并且介绍了斯特林发动机的工作原理，在对原理认识的基础上，进一步介绍了斯特林发动机的运动规律，为分析热气机，提高其效率提供了理论和方向。第3章 数值仿真软件基础本文中，由于建模分析的需要，主要需要的软件有PREO、GAMBIT、FLUENT等，作为目前在建模仿真的软件中，这些都是有其各自的特点，本章主要介绍下GAMBIT软件、FLUENT软件，以及动网格的相关理论，并简单介绍软件在本文中的应用。3.1 GAMBIT软件简介GAMBIT

40、是为了帮助分析者和设计者建立并网格化计算流体力学（CFD）模型和其它科学应用而设计的一个软件包。GAMBIT GUI简单而又直接的做出建立模型、网格化模型、指定模型区域大小等基本步骤，然而这对很多的模型应用已是足够了。面向CFD分析的高质量的前处理器，其主要功能包括几何建模和网格生成。由于GAMBIT本身所具有的强大功能，以及快速的更新，在目前所有的CFD前处理软件中，GAMBIT稳居上游。 GAMBIT软件具有很多优秀的特点，在本文中能利用到得特点有： 1、可以导入PRO/E、UG、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN等大多数CAD/CAE软件所建立的几何和网格。导入过

41、程新增自动公差修补几何功能，以保证GAMBIT与CAD软件接口的稳定性和保真性，使得几何质量高，并大大减轻工程师的工作量； 2、新增PRO/E、CATIA等直接接口， 使得导入过程更加直接和方便； 3、强大的网格划分能力，可以划分包括边界层等CFD特殊要求的高质量网格。GAMBIT中专用的网格划分算法可以保证在复杂的几何区域内直接划分出高质量的四面体、六面体网格或混合网格； 4、先进的六面体核心(HEXCORE)技术是GAMBIT所独有的，集成了笛卡尔网格和非结构网格的优点，使用该技术划分网格时更加容易，而且大大节省网格数量、提高网格质量； 5、GAMBIT可高度智能化地选择网格划分方法，可对

42、极其复杂的几何区域划分出与相邻区域网格连续的完全非结构化的混合网格； 在本文中，GAMBIT对于模型建立后导入后的边界面设置，特别是配气活塞与动力活塞作为运算中移动的边界面来设置，起到很大的作用，并且提供了多种网格的划分选择，让模型的处理有了更多的方法和途径，小型热气机模型在GAMBIT中经过网格划分后，就输出到FLUENT中进行下一步处理，GAMBIT在整个模拟仿真中起着基础性的作用。3.2 FLUENT软件简介FLUENT软件是通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活

43、的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转捩与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。FLUENT软件具有以下特点： 1、FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法； 2、定常/非定常流动模拟，而且新增快速非定常模拟功能； 3、FLUENT软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成。网格变形方式有三种：弹簧压缩式、动态铺层式以及局部网格重生式。其局部网格重生式是F

44、LUENT所独有的，而且用途广泛，可用于非结构网格、变形较大问题以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定的问题； 4、变形网格以及滑动网格等。值得强调的是，FLUENT软件还拥有多种基于解的网格的自适应、动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术； 在CFD软件中 ， Fluent软件是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一。Fluent的软件设计基于CFD计算机软件群的概念 ，针对每一种流动的物理问题的特点 ，采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳。由于囊括了Fluent Dynamical International比利时PolyFlow和

45、Fluent Dynamical International(FID)的全部技术力量(前者是公认的在黏弹性和聚合物流动模拟方面占领先地位的公司 ，后者是基于有限元方法CFD软件方面领先的公司 )，因此Fluent软件具有如下优点1、功能强 ，适用面广。包括各种优化物理模型 ，如 :计算流体流动和热传导模型 (包括自然对流、定常和非定常流动 ，层流 ，湍流 ，紊流 ，不可压缩和可压缩流动 ，周期流 ，旋转流及时间相关流等 ) ;辐射模型 ，相变模型 ，离散相变模型 ，多相流模型及化学组分输运和反应流模型等。 2、高效 ，省时。Fluent将不同领域的计算软件组合起来 ，成为CFD计算机软件群 ，

46、软件之间可以方便地进行数值交换 ，并采用统一的前、后处理工具 。 此外相比同类软件，FLUENT稳定性好，FLUENT经过大量算例考核，同实验符合较好，适用范围广，FLUENT含有多种传热燃烧模型及多相流模型，可应用于从可压到不可压、从低速到高超音速、从单相流到多相流、化学反应、燃烧、气固混合等几乎所有与流体相关的领域 精度提高，可达二阶精度。在FLUENT中，动网格模型的提出和建立为很多区域变化的问题的解决提供了新的思路和方法，FLUENT的动网格技术主要应用于计算区域几何形状随时间变化的流体力学问题的模拟。动网格计算中计算域的变化通常由计算域边界运动或流场中固体区域运动造成。FLUENT的

47、动网格技术根据计算中瞬态几何边界位置的变化实现计算区域网格的自动生成。在对小型热气机模型的处理中，很多条件要在FLUENT中设置后，才能进入动网格模型处理的下一步，在其中不仅要设置材料，边界条件，还要考虑本模型的尺寸等因素，其作用也是比较关键的。3.3 动网格的基本理论和方法3.3.1 动网格的基本理论世界的万事万物都时时刻刻处于运动之中，为了更好的分析一些问题，在FLUENT数值模拟中，就出现了动网格模型，动网格对于很多问题的处理更加优越在对于区域变化的问题的处理上。动网格模型可以用来模拟流场形状由于边界运动而随时间改变的问题。边界的运动形式可以是预先定义的运动，即可以在计算前指定其速度或角速度；也可以是预先未做定义的运动，即边界的运动要由