β型磁力傳動斯特林發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與CFD仿真

馬志振　黃巨鋒　左承基

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009）

β型磁力傳動斯特林發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與CFD仿真

馬志振黃巨鋒左承基

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009）

本文設(shè)計(jì)了一款β型磁力傳動斯特林發(fā)動機(jī)，結(jié)構(gòu)上主要采用齒槽式內(nèi)置回?zé)崞鱽硖岣呋責(zé)嵝阅?；曲軸設(shè)計(jì)成三曲拐形式，提高發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，同時(shí)減小振動噪聲；磁力傳動的設(shè)計(jì)使得發(fā)動機(jī)在閉式循環(huán)下解決工質(zhì)泄漏問題，又提高了發(fā)動機(jī)的輸出動力。對所設(shè)計(jì)的斯特林發(fā)動機(jī)進(jìn)行CFD分析，運(yùn)用Fluent軟件對發(fā)動機(jī)的溫度場進(jìn)行流固耦合模擬。結(jié)果分析表明，回?zé)崞鳒囟确植挤闲?、放熱?guī)律，散熱器處于正常工作狀態(tài)，本文所建立的冷熱活塞動網(wǎng)格能夠適應(yīng)所設(shè)計(jì)斯特林發(fā)動機(jī)的仿真模型。

斯特林發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)CFD分析流固耦合

引言

隨著秸稈大規(guī)模就地燃燒產(chǎn)生的霧霾問題日益加重，已經(jīng)嚴(yán)重影響了現(xiàn)代人的工作和生活，秸稈綠色有效的處理成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。作為一種綠色動力裝置，斯特林發(fā)動機(jī)憑著小型、節(jié)能、高效的特點(diǎn)被用在處理秸稈問題上具有巨大的潛力。本文設(shè)計(jì)了一款新型磁力傳動斯特林發(fā)動機(jī)，并通過CFD模型進(jìn)行分析。

1　磁力傳動斯特林發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1整體設(shè)計(jì)

比較了α型、β型和γ型斯特林發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)［1］，綜合考慮成本、加工難度和裝配可行性，本文以夏利476型發(fā)動機(jī)氣缸結(jié)構(gòu)參數(shù)為依托，提出一種新型的β型磁力傳動斯特林發(fā)動機(jī)，具體設(shè)計(jì)如圖1所示。

其中，1為加熱器，2、3、4組成了回?zé)崞骱屠鋮s器，5為機(jī)體外殼，6、7分別為動力連桿和配氣連桿，8為發(fā)電機(jī)，9為磁力聯(lián)軸器，10為曲軸總成，11、12分別為充氣接口和氣壓計(jì)，13為配氣連桿，14為球關(guān)節(jié)軸承，15為密封線圈，16為動力活塞，17為冷腔，18為配氣活塞，19為熱腔。

圖1　β型磁力傳動斯特林發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)總圖

所設(shè)計(jì)的發(fā)動機(jī)工作原理如下：以秸稈在氣化爐里燃燒產(chǎn)生的熱量作為熱源，對加熱器1進(jìn)行加熱，加熱器通過熱傳遞將熱量傳遞給膨脹腔19內(nèi)的氣體介質(zhì)。由于膨脹腔內(nèi)的氣體介質(zhì)受熱膨脹，絕大部分氣體用來推動配氣活塞18運(yùn)動，只有一小部分經(jīng)回?zé)崞?、3流到冷腔17。同時(shí)，配氣活塞推動曲軸10轉(zhuǎn)動，帶動了動力連桿6和動力活塞16的運(yùn)動。當(dāng)配氣活塞向下，動力活塞向上運(yùn)動時(shí)，冷腔內(nèi)的低溫氣體被壓縮經(jīng)回?zé)崞髁鞯綗崆?；反之，熱腔高溫氣體則流向冷腔。工質(zhì)氣體如此循環(huán)運(yùn)動，回?zé)崞鞅惝a(chǎn)生了一個蓄放熱的作用，使得該發(fā)動機(jī)能保持一直運(yùn)行的狀態(tài)。由于在曲軸的一端裝有磁力聯(lián)軸器9，因此，曲軸轉(zhuǎn)動帶動了磁力聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動，從而使發(fā)電機(jī)8運(yùn)轉(zhuǎn)工作。

本設(shè)計(jì)斯特林發(fā)動機(jī)的創(chuàng)新點(diǎn)有三部分，即內(nèi)置式回?zé)崞?、三曲拐曲軸和磁力聯(lián)軸器，下面僅對這三部分做詳細(xì)介紹。

1.2內(nèi)置回?zé)崞髟O(shè)計(jì)

傳統(tǒng)斯特林發(fā)動機(jī)的回?zé)崞骰旧喜捎猛庵檬?，與加熱器和冷卻器進(jìn)行串聯(lián)后，一起放置于氣缸的外部［2］。該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單，裝配方便，但是增大了整機(jī)的體積，結(jié)構(gòu)龐大。此外，目前大多數(shù)回?zé)崞鞫际嵌嗫捉橘|(zhì)結(jié)構(gòu)，即在回?zé)崞髑粌?nèi)填充多孔介質(zhì)材料，利用多孔介質(zhì)材料的吸放熱特性實(shí)現(xiàn)回?zé)崞鞯男罘艧峁δ堋?/p>

本文分析外置回?zé)崽攸c(diǎn)后，決定采用內(nèi)置式回?zé)崞鳎⒃O(shè)計(jì)為齒槽式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中所示為回?zé)崞鲀?nèi)芯，其結(jié)構(gòu)參數(shù)：外徑Dh=0.084m，內(nèi)徑dh=0.076m，長度為0.093m。沿圓周成均勻分布的是回?zé)崞鞯年P(guān)鍵結(jié)構(gòu)齒槽，數(shù)目為72，槽深和槽寬均為2mm，并且在冷腔一端加工了徑向通槽，軸向長度5mm。

回?zé)崞餍静捎脙?nèi)置形式，與外部殼體組成了回?zé)崞骺偝?，在增大傳熱接觸面積的同時(shí)，又使結(jié)構(gòu)更加緊湊。其中帶有徑向通槽的一端與冷腔相通，另外一端與熱腔相連。在實(shí)際閉式循環(huán)工況中，氣體工質(zhì)在配氣活塞和動力活塞的共同作用下，由齒槽端口或徑向通槽端口進(jìn)入外圍的齒槽，并在冷熱腔內(nèi)往復(fù)流動。另外，在設(shè)計(jì)回?zé)崞鞯臅r(shí)候沒有考慮填充材料，而是應(yīng)用氣體工質(zhì)和回?zé)崞骰w之間存在的溫差，當(dāng)工質(zhì)在齒槽間流動時(shí)不斷地與回?zé)崞骰w材料進(jìn)行熱交換，從而達(dá)到高溫氣體放熱和低溫氣體吸熱的目的，實(shí)現(xiàn)了回?zé)崞餍罘艧崃康墓δ堋?/p>

1.3三曲拐曲柄設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)將曲軸部分設(shè)計(jì)成三曲拐曲柄形式，相對于自由活塞傳動、液壓傳動和斜盤或擺盤傳動，此結(jié)構(gòu)在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性、可靠性以及結(jié)構(gòu)的緊湊型等方面都有明顯的優(yōu)勢。

圖2　齒槽式回?zé)崞鲀?nèi)芯

圖3　曲軸三維圖

曲軸結(jié)構(gòu)可分為整體式和組合式，整體式一般采用鍛造方式，組合式則是通過對多個零部件進(jìn)行分開加工，最后組裝成一體，如圖3所示。

其結(jié)構(gòu)參數(shù)：曲柄外圓直徑80mm，厚度10mm，在以25mm為半徑的圓上，打了兩個直徑為14mm的通孔，通孔夾角 90°，中心部分通孔直徑同樣是14mm，用來裝配主軸頸。

1.4磁力聯(lián)軸器設(shè)計(jì)

磁力聯(lián)軸器是本文設(shè)計(jì)斯特林發(fā)動機(jī)中的創(chuàng)新點(diǎn)之一，通過永磁體的磁力傳動，將曲軸和發(fā)電機(jī)聯(lián)接起來，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的無接觸傳遞，從而使斯特林發(fā)動機(jī)在閉式循環(huán)時(shí)，改善了設(shè)備密封性能。

圖4　磁力聯(lián)軸器三維圖

本文根據(jù)斯特林發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)和傳動要求，以圓盤式磁力聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，并根據(jù)尺寸參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，其三維圖如圖4所示。

圓盤式磁力聯(lián)軸器基本結(jié)構(gòu)是左右兩個是完全相同的圓盤，在圓盤外圓周槽上按照NS極相互交叉方式安裝一定數(shù)量的磁塊，并保證聯(lián)軸器的傳遞額定扭矩為4N· M，極限轉(zhuǎn)速2800r/min，其尺寸參數(shù)如下圖5所示。

磁力聯(lián)軸器性能、質(zhì)量和效率的高低，還與材料選擇有重大關(guān)系。本文所選擇的磁性材料就是釹鐵硼（NdFeB）磁鋼［3］，它是由金屬釹、鐵、硼和其他微量元素構(gòu)成的合金磁體，是目前磁性最強(qiáng)的稀土永磁，有著較高的磁能積和良好的矯頑力［4.5］。另外，釹鐵硼磁鋼還是一種節(jié)能環(huán)保的綠色材料，有著很大的發(fā)展前景。

圖5　磁力聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)參數(shù)圖

2　β型磁力傳動斯特林發(fā)動機(jī)CFD仿真

2.1模型建立

為保證仿真結(jié)果的精確性，本文首先考慮采用專業(yè)畫圖軟件UG NX，根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對加熱器、回?zé)崂鋮s器、熱活塞和冷活塞建立三維幾何模型并進(jìn)行裝配，將其保存為ANSYS ICEM CFD可識別的iges格式，最后導(dǎo)入到ICEM CFD中。由于該模型是完全的軸對稱結(jié)構(gòu)，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，將其簡化成二維模型，如圖6所示。

2.2網(wǎng)格劃分

圖6　斯特林發(fā)動機(jī)二維模型

為了準(zhǔn)確模擬氣體工質(zhì)隨活塞運(yùn)動的流場分布情況，本文采用動網(wǎng)格模型。動網(wǎng)格的初始網(wǎng)格通過ICEM CFD劃分，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中的四邊形網(wǎng)格，通過Block模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在Part模塊中定義流體域和固體域，動網(wǎng)格初始模型如圖7所示。其計(jì)算過程中網(wǎng)格運(yùn)動由profile文件［6］來實(shí)現(xiàn)。斯特林發(fā)動機(jī)在實(shí)際的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，冷熱活塞是做正弦或余弦運(yùn)動的，運(yùn)動規(guī)律如圖8所示。

2.3Fluent穩(wěn)態(tài)模型求解器設(shè)置和運(yùn)算結(jié)果

圖7　動網(wǎng)格初始模型

圖8　冷熱活塞運(yùn)動曲線

2.3.1邊界條件設(shè)置

邊界條件的設(shè)置是整個CFD仿真過程中最重要的環(huán)節(jié)，邊界條件的合理設(shè)置是保證模擬結(jié)果收斂有解的前提?？紤]到斯特林發(fā)動機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況，本文對邊界條件的設(shè)置盡可能逼近缸內(nèi)的真實(shí)情況，參考資料［6］所得邊界條件見表1。

本文研究流固耦合傳熱問題，計(jì)算域分為流體域和固體域，并且整機(jī)的溫度變化較大，需要考慮溫度對所選材料特性的影響，表2所示為計(jì)算域材料導(dǎo)熱系數(shù)。

表1　邊界條件設(shè)置

表2　計(jì)算域材料導(dǎo)熱系數(shù)

其他參數(shù)設(shè)置如下：斯特林發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min，冷熱端活塞的相位角為90°，其中熱端活塞領(lǐng)先冷端，即熱活塞在上止點(diǎn)位置，冷活塞在冷缸中間位置。算法是基于壓力求解器的，選擇SIMPLE，并采用二階迎風(fēng)格式，選擇合適的步長及迭代步數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

2.3.2Fluent穩(wěn)態(tài)模型結(jié)果

對斯特林發(fā)動機(jī)在起始時(shí)的位置進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)模擬，圖9所示為熱活塞在上止點(diǎn)，冷活塞在中點(diǎn)（起始位置）的溫度云圖分布情況。其中，熱腔平均溫度850 K，冷腔平均溫度為350 K，該結(jié)果作為瞬態(tài)模型的初始值設(shè)置。

2.4Fluent瞬態(tài)模型運(yùn)算結(jié)果

圖9　起始位置溫度分布云圖

以上述穩(wěn)態(tài)模型作為基礎(chǔ)，對活塞運(yùn)動采用動網(wǎng)格進(jìn)行瞬態(tài)分析，可以反映實(shí)際工作過程的內(nèi)部流場分布情況以及流、固體的熱傳導(dǎo)情況。

瞬態(tài)分析仿真計(jì)算，可以得出整機(jī)在不同時(shí)刻的速度場云圖，如圖10所示。

圖10　不同時(shí)刻速度分布云圖

（1）t=0.015s時(shí)，低溫氣體往熱腔流動，由于回?zé)崞鞯闹睆捷^小，因此氣體在回?zé)崞魍ǖ纼?nèi)速度變大，當(dāng)氣體流出到熱腔內(nèi)時(shí)速度減小。

（2）t=0.03s時(shí)，氣體往熱腔流動變小，逐漸開始往冷腔流動，但流速較慢，此時(shí)在回?zé)崞魍ǖ纼?nèi)產(chǎn)生來回震蕩使得回?zé)崞鲀?nèi)流體速度減小。

（3）t=0.045s時(shí)，高溫氣體往冷腔流動，由于冷腔體積變化較大，因此經(jīng)過回?zé)崞鞯臍怏w速度增加，使得冷腔出口速度增大，并在部分區(qū)域形成湍流。

（4）t=0.06s時(shí)，氣體的流動趨勢還是往冷腔流動，但此時(shí)冷腔溶劑變化較小，使得回?zé)崞鲀?nèi)氣體流速減緩，導(dǎo)致整個冷腔出口速度相對前一時(shí)刻變小。

瞬態(tài)分析仿真計(jì)算，可以得出整機(jī)在不同時(shí)刻的溫度場云圖，如圖11所示。

（1）t=0.015s時(shí)，此時(shí)熱活塞在中點(diǎn)、冷活塞在上止點(diǎn)位置。由于冷、熱活塞對冷腔相互壓縮，冷腔內(nèi)低溫氣體向熱腔流動，熱腔內(nèi)高溫氣體溫度降低。從冷腔到熱腔，回?zé)崞髦袦囟瘸手饾u升高趨勢。此外，從散熱片的溫度分布看出，有一部分熱量通過散熱片流向大氣。

（2）t=0.03s時(shí)，此時(shí)熱活塞在下止點(diǎn)、冷活塞在中點(diǎn)位置。由于冷、熱活塞同時(shí)下行，所以，冷腔容積變化不大，熱腔容積增加。因此，冷腔內(nèi)低溫氣體繼續(xù)向熱腔流動，使冷腔內(nèi)氣體平均溫度達(dá)到最低。從圖中可以看出，此時(shí)熱腔內(nèi)氣體的平均溫度較上個時(shí)間點(diǎn)提高，并且熱腔靠近熱活塞的位置溫度梯度分布變大。

（3）t=0.045s時(shí)，此時(shí)熱活塞在中點(diǎn)、冷活塞在下止點(diǎn)位置。由于熱活塞向上運(yùn)動，冷活塞向下運(yùn)動，使冷腔容積變大，熱腔容積變小。因此氣體從熱腔向冷腔流動，從冷熱腔的溫度分布可以看出，此時(shí)冷腔平均溫度上升，熱腔靠近熱活塞部分的溫度也略微上升。此時(shí)，散熱片上又有溫度變化，有助于降低冷腔內(nèi)的溫度。

（4）t=0.06s時(shí)，此時(shí)熱活塞在上止點(diǎn)、冷活塞在中點(diǎn)位置。由于熱活塞和冷活塞均上移，熱腔容積變小，冷腔容積不大，氣體從熱腔向冷腔流動。使冷腔內(nèi)氣體平均溫度達(dá)到最高。從圖中可以明顯看出，散熱片帶走的熱量也達(dá)到最大，在一定程度上降低了冷腔溫度。該時(shí)刻又是下一循環(huán)的起始位置。

3　結(jié)論

圖11　不同時(shí)刻溫度分布云圖

（1）本文設(shè)計(jì)了一種新型磁力傳動斯特林發(fā)動機(jī)，采用內(nèi)置回?zé)崞骱腿涨S設(shè)計(jì)使得斯特林發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，整機(jī)體積減小。采用磁力聯(lián)軸器創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩?zé)o接觸傳遞，改善斯特林發(fā)動機(jī)閉式循環(huán)時(shí)的密封性能。

（2）將穩(wěn)態(tài)模型運(yùn)算結(jié)果作為瞬態(tài)模型初始值，得出瞬態(tài)動網(wǎng)格模型在不同時(shí)刻時(shí)發(fā)動機(jī)內(nèi)部的溫度分布云圖，各腔內(nèi)氣體的溫度變化規(guī)律正常。

（3）回?zé)崞魍ǖ纼?nèi)溫度上升、下降趨勢符合蓄、放熱規(guī)律。散熱片溫度分布表明熱量通過散熱片流向大氣，該散熱器處于正常工作狀態(tài)。

（4）整機(jī)流固耦合仿真表明，本文所建立的冷、熱活塞動網(wǎng)格能夠適應(yīng)所設(shè)計(jì)斯特林發(fā)動機(jī)的仿真模型，計(jì)算結(jié)果可以為后期發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)。

［1］張旭.生物質(zhì)直燃斯特林發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)與仿真分析：［碩士學(xué)位論文］.哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2011

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StructuralDesignandCFDSimulation ofβ-type Magnetic Drive Stirling Engine

MA Zhizhen，HUANG Jufeng，ZUO Chengji
（School of Mechanical and Automotive engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

A new β-type magnetic drive Stirling engine is designed in accordance with the requirements of this article.In order to improve performance of heat recovery，the structure of mainly alveolar type regenerate is built.Crankshaft is designed into three forms to improve the smooth operation of the engine，while reducing noise and vibration.Magnetic drive is designed so that engine can solve the working fluid leakage while increasing the output power in the closed-cycle. The designed Sterling engine is analyzed by Fluent-CFD to simulate velocity and temperature fields of FSI engine.Results showed that the temperature distribution of the regenerator is in accordance with the law of thermal storage and release.Radiator can work normally.In this paper，the moving grid of hot and cold piston can be adapted to the designed simulation model of Stirling engine.

Stirling engine，structural design，CFD analysis，flu id-structure coupling