Физическая модель тепло- и массообмена во внутреннем контуре двигателя Стирлинга схемы "альфа" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат наук Абакшин, Антон Юрьевич

• Абакшин, Антон Юрьевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Абакшин, Антон Юрьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ИСТОРИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ СТИРЛИНГА

1.1. Начальный этап развития теории ДС

1.2. Работы в области теории ДС XIX - начала XX веков. Теория Шмидта. Модели работы регенератора

1.3. Работы в области теории ДС во второй половине XX века. Теория Финкельштейна. Узловые методы расчёта

1.4. Состояние работ в области теории ДС в настоящее время

ГЛАВА II. ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА ВО ВНУТРЕННЕМ КОНТУРЕ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА

2.1 Общая характеристика рассматриваемого двигателя

2.2 Основные элементы расчетной модели внутреннего контура ДС

2.2.1. Основные соотношения, использовавшиеся при численном моделировании

2.2.2. Дополнительные соотношения, примененные в расчетной модели

2.3. Особенности применяемых в модели методов дискретизации расчетной области по времени и пространству

2.4. Предварительные расчеты элементов внутреннего контура ДС

2.4.1. Предварительный расчет течения рабочего тела в области с изменяемой геометрией

2.4.2. Предварительный расчет течения рабочего тела в области с изменяемой геометрией, содержащий регенератор

ГЛАВА III. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА ВО ВНУТРЕННЕМ КОНТУРЕ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА

3.1. Граничные условия. Начальные значения параметров. Расчетная сетка

3.2. Результаты численного расчета. Выводы

3.3. Оценка достоверности и адекватности результатов численного эксперимента

3.4. Расчет интегральных характеристик рабочего цикла. Численное определение скоростных характеристик ДС

3.5. Численное исследование влияния типа набивки регенератора на скоростные характеристики ДС

ГЛАВА IV - ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА ВО ВНУТРЕННЕМ КОНТУРЕ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА

4.1. Индицирование двигателя Стирлинга

4.1.1. Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента

4.1.2. Результаты эксперимента и методика их обработки

4.2. Экспериментальное исследование гидравлических и теплофизических свойств компонентов внутреннего контура ДС

4.2.1. Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента

4.2.2. Результаты эксперимента. Обработка результатов. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физическая модель тепло- и массообмена во внутреннем контуре двигателя Стирлинга схемы "альфа"»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время растет интерес потребителей и производителей к различным эффективным преобразователям энергии и, в частности, к двигателям с внешним подводом теплоты (ДВПТ), что подтверждает необходимость проведения дальнейших работ по их исследованию и проектированию.

Преимущества двигателей с внешним подводом теплоты, в частности - двигателей Стерлинга (ДС), а также ряд нерешенных проблем, связанных с анализом работы двигателей этого типа и применением их в новых областях человеческой деятельности, говорят об актуальности исследований в этой области на современном уровне.

Характеристики ДС во многом определяются процессами тепло- и массоб-мена в его внутреннем контуре. В настоящее время при исследовании процессов гидроаэродинамики и тепло- и массообмена в различных областях широкое применение находят различные методы численного моделирования [28, 30, 38, 44]. Общей характер процессов, происходящих во внутреннем контуре ДС в процессе работы двигателя, а также характеристики применяемых конструкционных материалов, рабочих тел, способов подвода и отвода теплоты указывают на широкие возможности применения численных методов в исследованиях, связанных с этим типом двигателей [10, 13, 23, 31, 32, 36, 37, 48, 49, 54, 56].

Цель исследования: создание модели процессов тепло- и массообмена во внутреннем контуре двигателя Стерлинга "альфа"-компоновки. При этом необходимо обеспечить возможность определения значений основных газодинамических и теплофизических параметров рабочего тела во всем объеме внутреннего контура ДС и их изменений в течение рабочего цикла двигателя.

Для достижения цели исследования решались следующие задачи:

- оценка современного состояния исследований в области моделирования работы ДС;

- подбор, разработка, апробация предполагаемых к применению методов и методик расчета;

- формирование расчетной модели внутреннего контура двигателя для проведения численного эксперимента;

- оценка достоверности и адекватности сформированной модели;

- проведение численного эксперимента;

- подготовка и проведение физического эксперимента;

- выработка рекомендаций по вопросам моделирования и оптимизации конструкции двигателей для применения на начальных этапах их проектирования.

Несмотря на актуальность тематики данного исследования, опубликованные результаты работ по численному моделированию процессов во внутреннем контуре ДС компоновочной модификации «а», в которых был бы комплексно рассмотрен весь внутренний контур двигателя, в настоящее время представлены в объеме, который представляется недостаточным.

Известны работы ЦНИДИ, СПбГМТУ, МГТУ им. Н. Э. Баумана, МАДИ и др.[19, 21, 24, 25, 26, 27], но развитие методов и методик расчета, появление новых конструкционных материалов и развитие трибологии определяют необходимость проведения дальнейших работ по моделированию процессов во внутреннем контуре ДС.

Известны аналитические методы расчета рабочего процесса ДС, такие, как метод Шмидта и метод Финкельштейна [10, 13, 23, 31, 32, 35, 37, 48, 49, 54]. Они дают результаты недостаточной точности - например, погрешность при использовании метода Шмидта для расчета рабочих процессов двигателей современного уровня может достигать 30 - 40%. Узловые методы расчета, такие, как метод Финкельштейна, Уокера и Жози [31, 32, 37], или метод, описанный Мартини [38, 44] при применении оптимизированных методик основываются, в большинстве случаев, на тех же допущениях, что и аналитические методы. Это также сказывается на точности расчетов. Опыт численного моделирования процессов во внутреннем контуре машин, работающих по циклу Стерлинга, описанный, в частности, в работах Саху [55], Дайсона [36] и др., основывается во многом на расчетах отдельных составных частей контура. При этом используемые численные методы и методики расчета требуют значительных вычислительных ресурсов и описыва-

ют процессы во внутреннем контуре машин специфической конструкции и иных компоновочных модификаций.

В работе предложена численная модель процессов тепло- и массообмена во внутреннем контуре двигателя Стирлинга схемы «альфа», отличающаяся тем, что:

- учитываются гидравлические сопротивления всех элементов внутреннего контура;

- учитывается неравномерность распределения теплофизических параметров рабочего тела во всех полостях внутреннего контура;

- учитывается реальное распределение температур материала насадки регенератора.

Модель отличается большей по сравнению с аналитическими расчетными моделями точностью, большим удобством в применении и меньшим требованиям к вычислительным ресурсам по сравнению с другими существующими численными моделями. В результате численного эксперимента с использованием разработанной модели, реализованной в среде Fluent, получены значения основных газодинамических и теплофизических параметров рабочего тела во всем объеме контура и данные об их изменениях в течение рабочего цикла двигателя. Данные проведенных физических экспериментов позволили определить газодинамические и теплофизические характеристики элементов внутреннего контура двигателя Стирлинга и построить его индикаторные диаграммы.

Практическая ценность работы заключается в том, что результаты работы (данные расчетов по предложенной модели и физических экспериментов) дают возможность проектантам двигателей Стирлинга уже на ранних этапах проектирования принимать обоснованные решения по оптимизации конструкции внутреннего контура новых двигателей и уточнять аналитические методики расчета рабочего процесса в них.

При решении поставленных задач исследования применялся широко распространенный в исследованиях процессов гидроаэродинамики метод, основанный на решении системы уравнений Навье-Стокса [28, 30, 38], дополняемый со-

отношениями, позволяющими определить характер и параметры процессов теплообмена, течения жидкости в объеме, заполненном пористым твердым материалом, воздействие поршней на сжимаемую жидкость. При этом системы уравнений решались с применением дискретизации расчетной области по методу контрольного объема [16, 20, 30, 38].

Достоверность результатов численных расчетов в рамках принятых допущений определяется путем проведения дополнительных расчетов с целью проверки независимости решения от применяемого метода дискретизации по времени и пространству, а также по результатам проверочных аналитических расчетов и опубликованным данным расчетных и экспериментальных исследований течения рабочего тела во внутреннем контуре ДС.

С целью уточнения расчетных методов и проверки полученных данных в рамках исследования проводится ряд физических экспериментов. Они включают эксперименты на действующей установке с двигателем Стерлинга компоновочной модификации «а», определяющие достоверность полученных в результате численных расчетов параметров течения рабочего тела во внутреннем контуре двигателя, а также эксперименты на модельных установках для определения гидравлических характеристик элементов внутреннего контура ДС, в том числе трубчатых теплообменных аппаратов и регенератора.

Личный вклад автора состоит в создании модели, проведении численных расчетов, участии в создании экспериментальных установок и проведении физических экспериментов, обработке, обобщении и анализе полученных данных.

В рамках апробации отдельные результаты данного исследования докладывались и обсуждались на:

- Всероссийских конференциях «Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах» (СПбГПУ, г. Санкт-Петербург - 2010, 2011 гг.);

- XXX, XXXI, XXXII отраслевых научно-технических конференциях молодых специалистов «Морское подводное оружие. Морские подводные роботы -вопросы проектирования, конструирования и технологий. МПО-МС» (ОАО

«Концерн «Морское подводное оружие - Гидроприбор», г. Санкт-Петербург -2011, 2012, 2013 гг.). Доклады отмечены дипломами;

- IX молодежной научно-технической конференции «Взгляд в будущее -2011» (ОАО «ЦКБ МТ «Рубин», г. Санкт-Петербург - 2011 г.);

- Международных научно-практических конференциях «Неделя науки СПбГПУ» (г. Санкт-Петербург - 2010, 2011, 2012 г.). Доклады на конференциях 2011 и 2012 годов отмечены дипломами, как лучшие доклады секции «Двигатели внутреннего сгорания»;

- Всероссийской межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы морской энергетики» (СПбГМТУ, г. Санкт-Петербург - 2012 г.).

По результатам исследования опубликовано 14 статей в периодических научных изданиях, а также в сборниках трудов конференций, в том числе 6 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Результаты исследования докладывались на семинарах кафедр «Двигатели внутреннего сгорания» Уфимского государственного авиационно-технического университета (2012) и «Двигатели, автомобили и гусеничные машины» Санкт-Петербургского государственного Политехническгого унверситета (2011-2013 гг). На защиту выносятся следующие положения:

1. Модель процессов тепло- и массобмена во внутреннем контуре ДС компоновочной модификации "альфа";

2. Результаты численного исследования течения РТ во внутреннем контуре ДС;

3. Результаты физических экспериментов по определению параметров течения РТ и теплообмена во внутреннем контуре и теплообменных аппаратах ДС.

ГЛАВА I. ИСТОРИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ СТИРЛИНГА

1.1. Начальный этап развития теории ДС

История теории ДС, как и самих этих двигателей, берёт начало в 1816 году с изобретением Робертом Стирлингом его "теплового воздушного двигателя". Оригинальный патент Стерлинга был озаглавлен: "Нововведения для уменьшения потребления топлива, и, в частности, двигатель, применение которого возможно для движения механизмов, основанный на совершенно новом принципе" и включал в себя описание (впервые в истории) конструкции и принципов работы регенератора и некоторые возможные области его применения, а также описание первого двигателя, работающего по замкнутому циклу и использующего воздух в качестве рабочего тела [10, 13, 23, 31, 32, 36, 37, 48, 49, 54, 56]. Из-за трудностей, возникших при регистрации патента и связанных с особенностями законодательства Великобритании и работы соответствующих государственных органов, позднее, в частности, Эриксоном, предпринимались попытки оспорить первенство Стерлинга в деле изобретения регенератора.

Усовершенствования конструкции двигателя, проводившиеся Робертом Стирлингом совместно с братом Джеймсом, инженером по образованию, в 18161824 годах включали в себя увеличение давления в контуре двигателя при помощи насоса, а также применение поршня двойного действия (тогда - с двумя отдельными вытеснителями). Дальнейшие улучшения концепции двигателя, запатентованные совместно братьями Стерлинг в 1827 и 1840 годах, являлись результатом подбора материалов (в частности - материала регенератора) и поиска оптимальных конструктивных соотношений [10, 13, 23, 31, 32, 36, 37, 48, 49, 54, 56]. Таким образом, основные принципы, легшие в основу последующих теоретических и экспериментальных разработок в области ДС, были заложены ещё их изобретателями. Следует отметить, что, поскольку теория тепловых двигателей в то время находилась на достаточно раннем этапе своего развития, можно сказать,

что основы теории ДС закладывались, по большей части, при помощи метода проб и ошибок.

В период с 1850 до 1885 года идеи братьев Стирлинг были проанализированы и развиты рядом изобретателей и учёных [10, 12, 23, 31, 32, 36, 37, 48, 49, 54, 56]. Важнейшим результатом этих исследований, вылившихся во множество разнообразных публикации и изобретений новых концепции и циклов ДС, явилось научное подтверждение важнейшей роли регенератора. В этот период были осмысленны и математически описаны циклы работы двигателей и движение рабочего тела в их контурах применительно к конкретным конструкциям.

1.2. Работы в области теории ДС XIX - начала XX веков. Теория Шмидта. Модели работы регенератора

В работе Уильяма Ранкина от 1854, в качестве одной из иллюстраций предложенного им подхода к изучению и анализу термодинамических процессов, рассматривается цикл двигателя, использующего регенерацию теплоты и воздух в качестве рабочего тела [31, 32, 37]. Цикл, описанный Ранкином и состоящий из двух изотерм и двух адиабат, является первым известным примером попытки описания и анализа идеального термодинамического цикла Стирлинга. Однако в подходе Ранкина важнейший процесс регенерации теплоты рассматривается, как абстракция, без изучения конкретных явлений и термодинамических процессов.

В 1860 году Лоури анализируя этот цикл, применил уравнение состояния идеального газа к ситуации, когда газ находится в замкнутом пространстве переменного объема [31, 32, 37]. Полученное им выражение для давления рабочего тела в цилиндре двигателя послужило основой для первого математического описания идеального цикла.

Один из подходов к теоретическому описанию и расчёту двигателя Стирлинга, считающийся классическим, изложен в работах Г.Шмидта 1861-1871 годов [31, 32, 37]. Он также основан на применении уравнения состояния идеального газа и допущении об обратимости всех процессов, в том числе и идеальной регене-

рации. Этот метод, соотношения которого были обобщены и развиты в работах Уокера [31, 32, 37], Мартини [31, 32, 37, 44], Уриелли и Берковица [31, 32, 37, 62], и в настоящее время используется для предварительных расчётов рабочих параметров двигателей Стерлинга и выявления закономерностей их изменения.

Предметом изучения в работе Шмидта от 1871 года был экспериментальный стационарный двигатель Леманна, построенный в 1860 году (рисунок 1.3). Шмидт применил уравнение состояния идеального газа к рабочему телу в каждом из объемов двигателя, как переменных (объемы цилиндров), так и постоянных (объем регенератора) отдельно. При этом делалось предположение о постоянстве температур по каждому из объёмов. Таким образом, благодаря тому, что масса рабочего тела во всём объёме двигателя постоянна (утечки его не учитывались), было возможно математически объединить решения в единое целое и получить значения давления во всём объёме двигателя, как функцию от угла поворота коленчатого вала.

о

л

Рис. 1.3. Двигатель Лемана[36]

В 1974 году Хирш предложил несколько иной подход к исследованию процессов в двигателе, в частности, регенерации теплоты [32, 37]. Он сделал следующий шаг, представив регенератор, как физический объект - "смоченную" структуру, температура которой в каждой точке поверхности равна температуре воздуха (рабочего тела), проходящего через регенератор. Полученное таким образом решение для циклического изменения температуры рабочего тела вылилось в концепцию "термической волны" - "onde thermique". Полученный Хиршем результат не был точным, но это был важный шаг в деле теоретического описания и осмысления процесса регенерации теплоты. Понимая это, Хирш ограничивает область справедливости своего решения случаями, когда эффектами, связанными с волнами давления, можно пренебречь. Кроме того, он же впервые представил ДС закрытого регенеративного цикла в двухпоршневом оппозитном исполнении (рисунок 1.4).

Рис. 1.4. Оппозитный ДС Хирша. 1873 г.[36]

Дальнейшее развитие теории ДС связано с работами Шелби и Шрётера [37]. Решение уравнений, связанных с работой с циклом работы ДС, предложенное Шелби в 1878 году, интересно тем, что не зависит от характера движения поршней двигателя. Шрётер в 1881-1882 годах применяет похожий поход к двигателю несколько другого типа - двигателю Ридера. При моделировании процессов он, как и Хирш, пытается "отследить" движение и изменение состояния частиц (мо-

лекул) рабочего тела, но в том, что касается анализа работы регенератора, использует способы, похожие на подходы Ранкина, приближая их, однако, к физической реальности путём применения предположения Хирша о равенстве температур сетчатого материала регенератора и рабочего тела в каждой конкретной точке поверхности.

Цойнер в своей работе 1907 года вводит понятие о средней температуре материала регенератора и связанной с ней средней температуре воздуха в регенераторе, пытаясь оценить массовый расход рабочего тела через регенератор [37]. Однако он также основывался на предположениях Хирша о распределении температуры, что отрицательно сказалось на точности результатов.

В последующие годы были опубликованы новые работы, посвященные теории ДС и анализу работы регенератора. В 1927 году Хельмут Хаусен опубликовал труд, посвященный анализу процессов теплообмена в регенераторе [37]. Речь в нём шла не о регенераторах, применяемых в ДС, и хотя эта работа дала очевидный толчок развитию математических моделей процесса регенерации теплоты, требовалась некоторая адаптация её результатов. В конце 1920-х проблемами анализа работы регенераторов, вслед за Хаусеном, интересовались несколько выдающихся математиков, в том числе Нуссельт и Шуман [31, 32, 37]. Основная проблема заключалась в моделировании случаев изменения направления и параметров потока рабочего тела сквозь регенератор, что в ДС, очевидно, имеет место крайне часто, а также в отличиях, присущих регенераторам ДС по сравнению с регенераторами других установок. Эти проблемы, основываясь на работах предшественников, относительно успешно разрешил Шуман в 1929 году [37]. В своей работе он, фактически, проводит вычислительный эксперимент, определяя термодинамические параметры рабочего тела и материала регенератора в каждой точке в каждый момент времени. При этом он предполагал, что изменение направления потока происходит мгновенно - поток начинает движение в противоположном направлении с той же скоростью, но имея иную температуру.

Суммируя вышесказанное, можно сказать, что именно во второй половине XIX - начале XX века, с участием ведущих учёных в области теории тепло- и

массообмена, были проведены первые основополагающие обстоятельные исследования, касающиеся теории ДС. В этот период, наряду с новыми типами двигателей, появляются различные методики расчета и математического моделирования циклов ДС, процессов, связанных с их работой. Большинство идей, заложенных в основу этих методик, используются при разработке ДС и анализе их работы и сегодня.

Как уже упоминалось, с середины 1930-х годов интерес к ДС сильно угас. Начиная с этого времени и до окончания Второй Мировой войны практически не проводилось теоретических и экспериментальных работ в этой области. Сами же двигатели хотя и продолжали производиться в Великобритании, использовались весьма ограниченно в специфических областях, как, например, для привода вентиляторов в странах с жарким климатом. Они были вытеснены с основных рынков двигателями других типов, в частности, ДВС. "Второе рождение" ДС происходит во второй половине 1940 годов в лабораториях фирмы "Филипс" в Эйндхо-вене.

1.3. Работы в области теории ДС во второй половине XX века. Теория Финкельштейна. Узловые методы расчёта

Ещё за несколько лет до начала Второй Мировой войны в лаборатории "Филипс" под руководством профессора Холста проводились испытания производившихся на тот момент ДС. Они показали, что термодинамический КПД двигателей находился на уровне 1%, что, естественно, было неприемлемо малой величиной в свете того, что теоретически для подобного цикла было возможно достижение эффективности, равной эффективности цикла Карно, то есть до 50% [31, 32, 37]. Считается, что именно это огромная разница побудила Холста к началу крупномасштабных исследований в области ДС. Исследования эти в дальнейшем проводились большой группой учёных, возглавляемой Риниа [30, 31, 32, 37, 40] Они продолжались в обстановке секретности и во время оккупации. Предметом их были базовые свойства двигателей Стирлинга. В рамках программы проводил-

ся большой объём испытаний, что привело к созданию ряда удачных опытных образцов двигателей типа Стерлинга и Ридера [23]. Хотя концептуально они мало чем отличались от двигателей XIX века, они были всё же продуктом нового столетия, созданным с применением накопленных знаний в области теплообмена, аэродинамики, материаловедения. Ван Винен в 1947 году отмечал их сходство с производившимися в то время одноцилиндровыми двигателями для мотоциклов. Достижения в области теплообмена и материаловедения, а также знания о конструкции, материалах и принципах работы регенераторов позволили существенно поднять КПД двигателей, уменьшить их габариты и массу [37], Эффективность работы регенератора была доведена до 95%. Сравнительный анализ, результаты которого были опубликованы Риниа и Депре в 1946 году, показал, что по сравнению с ДС 1926 года производства при той же мощности вес двигателя был меньше в 50 раз.

Большое внимание уделялось развитию регенераторов. В 1944 году фирмой "Филипс" была сознана испытательная установка, воспроизводившая условия работы, характерные для регенераторов ДС - осциллирующий поток. В результате её применения, а также новых подходов к математическому анализу работы регенератора и применению новых материалов, удалось, как упоминалось выше, достичь большого прогресса в эффективности его работы [31, 32, 37, 40].

Ряд проблем, стоявших перед инженерами "Филипс", был связан с конструкцией кривошипно-шатунного механизма, которая у одноцилиндрового двигателя с двумя поршнями, очевидно, должна быть более сложной, чем у ДВС. У ранних прототипов несовершенство конструкции вызывало утечки рабочего тела, находившегося под большим давлением внутри цилиндра. Инновационные идеи в этой области были предложены и развиты в 1950-е - 1960-е годы, о чём пойдёт речь несколько ниже.

Работы в области ДС периода 1940-х - 1950-х годов не внесли существенных изменений в их основную концепцию и теоретическое описание их работы. Они, по сути, являлись применением новых знаний к этой концепции и внедрением последних достижений в различных областях науки и технологии, что сделало

ДС значительно более конкурентоспособными. Существенным нововведением того периода следует считать только применение схемы Ридера с двумя рабочими поршнями вместо одного рабочего и поршня-вытеснителя [23, 37]. В дальнейшем это привело к развитию многоцилиндровых двигателей и двигателей двойного действия [23, 31, 37, 47].

Концепция двигателя Стерлинга двойного действия, предложенная Ван Виненном, нашла отражение в экспериментальном четырёхцилиндровом образце, результаты работы над которым были опубликованы в 1946 году. В этой работе заявлено намерение дальнейших разработок подобных двигателей мощностью до нескольких сотен кВт, однако в процессе работы над этим прототипом было отмечено ещё одно важное свойство цикла Стерлинга - машины, работающие по нему, при подводе к ним механической энергии работают, как тепловые насосы, охлаждая окружающую среду. Это направление оказалось очень многообещающим - с помощью одноцилиндровой машины без существенных модификаций было возможно охлаждение окружающего воздуха до температур ниже -200°С, что позволяло получить сжиженный воздух без предварительного сжатия. Работы по этой тематике были опубликованы Кёлером и Йонкерсом в 1954 году, Кёлером и Ван Дер Старом в 1955, Кирком в 1962 и 1973 годах [37].

В середине 1950-х первые сверхзвуковые полёты ознаменовали новые открытия в области аэродинамики и теплообмена, в частности, касающиеся нестационарных течений сжимаемых жидкостей (применение метода характеристик), а также трения жидкости. Естественно, они нашли применение и в теории ДС, в частности, в анализе работы регенераторов.

Оригинальным конструктивным решением, позволившим ДС получить ряд конкурентных преимуществ, стал на рубеже 1950-х - 1960-х годов ромбический привод [10, 12, 21, 23, 31, 32, 37, 48, 49, 54]. Впервые он появился ещё в 1898 году в горизонтально-оппозитном двигателе внутреннего сгорания Ланчестера. Идея его адаптации применения в ДС принадлежит Майеру [37].

В 1958 году "Филипс" и "Дженерал Моторс" по заказу ВВС США начали разработку совместного проекта, целью которого являлось создание генератора

электроэнергии для применения в космических аппаратах на основе ДС [31, 37, 53]. Этот проект можно считать важной вехой, так как он предполагал использование солнечной энергии для подвода теплоты к двигателю. Попытки создания наземных установок с использованием концентрированной солнечной энергии и ДС предпринимались и ранее (начиная с 1908 года), однако не имели успеха из-за недостаточного уровня научных знаний в области концентрации солнечного излучения. Ромбический привод, использование которого предполагалось в проекте 1958 года, оказался идеальным решением для применения в космосе - он позволял сделать одноцилиндровый двигатель полностью симметричным, исключая влияние гироскопических эффектов. Проводившиеся на том же прототипе сравнительные испытания газов, использование которых предполагалось в качестве рабочего тела, также дали важные результаты, опубликованные Монсоном в 1961 году [37]. В конечном итоге программа была свёрнута - развитие электроники существенно снизило требования к источникам энергии для космических аппаратов. Однако "Дженерал Моторс" продолжили разработку ДС, теперь уже для наземного применения. Эти работы в конечном итоге привели к попытке использования двигателей Стерлинга в автомобилях, также не давшим положительных результатов [31, 32, 37].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Абакшин, Антон Юрьевич, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Абакшин А. Ю. Численное моделирование элементов систем ДС/ А. Ю. Абакшин, Г.А. Ноздрин С.Н. Вильдяева // Материалы IX молодежной науч.- тех. конф. «Взгляд в будущее — 2011». — СПб: ОАО «ЦКБ МТ «Рубин», 2011. — с.377 - 382.

2. Абакшин А. Ю. Моделирование элементов ДС в среде Fluent / А. Ю. Абакшин, Г.А. Ноздрин, С.Н. Вильдяева // Материалы XXX отраслевой науч.-тех. конф. молодых специалистов «Морское подводное оружие. Морские подводные роботы - вопросы проектирования, конструирования и технологий. МПО-МС-2011»; - СПб.: ОАО «Концерн «Морское подводное оружие - Гидроприбор», 2011. —с.43-50.

3. Абакшин А. Ю. Разработка стенда для испытаний двигателя с внешним подводом теплоты / А. Ю. Абакшин, Г.А. Ноздрин, B.C. Дворцов // Материалы XXXI отраслевой науч.-тех. конф. молодых специалистов «Морское подводное оружие. Морские подводные роботы - вопросы проектирования, конструирования и технологий. МПО-МС-2011»; — СПб. : ОАО «Концерн «Морское подводное оружие - Гидроприбор», 2011. - с.59-62. Абакшин А. Ю. Численное моделирование процессов тепло- и массобмена в цилиндрах двигателя с внешним подводом теплоты / А. Ю. Абакшин, Г.А. Ноздрин, М.И. Куколев /V Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2012, —№2-2(1477). — с. 164-167.

4. Абакшин А.Ю. Некоторые способы решения проблем уплотнения поршневого зазора двигателя с внешним подводом теплоты / А.Ю. Абакшин, Г.А. Ноздрин, B.C. Дворцов, С.Ю. Лазарев, М.И. Куколев // Неделя науки СПбГПУ. Лучшие доклады: материалы научно-практической конференции с международным участием. — СПб. : Изд-во Политехи, ун-та, 2013. — с. 12.

5. Бордуков В.Т. Работы ЦНИДИ по созданию двигателей с внешним подводом теплоты. 1992 г. - 18 с.

6. Бреусов В. П. Двигатель внешнего подвода тепла (вчера, сегодня, завтра). // СПб.: Нестор, 2007. - 156 с.

7. Бреусов В. П Двигатели с внешним подводом теплоты (Ч. II) / Бреусов В. П., М. И. Куколев, С. Н. Вильдяева, А. Ю. Абакшин // Двигателестроение. 2009 № 4 С. 41-45.

8. Бреусов В. П Двигатели с внешним подводом теплоты (Ч. III) / Бреусов В. П., М. И. Куколев, С. Н. Вильдяева, А. Ю. Абакшин // Двигателестроение. 2010 № 1 С. 37-40.

9. Бреусов В. П Двигатели с внешним подводом теплоты (Ч. I) / Бреусов В. П., М. И. Куколев, С. Н. Яковлева, А. Ю. Абакшин // Двигателестроение. 2009 № 3 С. 41-44.

10. Веревкин М. Г. Разработка комплексного метода теплового и конструкторского расчета термомеханического генератора / М. Г. Веревкин под рук. А. И Гай-воронского. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук // М., МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007 г. — 156 с.

11. Виколайнен В. Э. Воздействие интенсивных струйных течений на элементы поршневых энергоустановок. // СПб.: Изд.-во Политехи, ун.-та, 2008. - 117 с.

12. Даниличев В.Н. Двигатели Стерлинга / В.Н. Даниличев, С.И. Ефимов, В.А. Звонов и др.; Под ред. М.Г. Круглова. // М. : Машиностроение, 1977. — 152 с.

13. Двигатели Стерлинга : Сборник статей : Пер. с англ.; Под ред. В. М. Бро-дянского. — М. : Мир, 1975. — 446 с.

14. Дейч, М. Е. Техническая газодинамика / М. Е. Дейч;— Изд. 3-е, перераб. — М. : Энергия, 1974. — 592 с.

15. Дейч, М. Е. Гидрогазодинамика : Учеб. пособие для вузов / М.Е. Дейч; — М. :Энергоатомиздат, 1984. — 384 с.

16. Кожинов И.А. Теория тепло- и массообмена : Учеб.для вузов / И. А. Кожи-нов [и др.]; под ред. А.И. Леонтьева. // М. : Высшая школа, 1979. — 495 с.

17. Кочинев Ю.Ю. Техника и планирование эксперимента : Учебное пособие / Ю.Ю. Кочинев, В.А. Серебренников; Ленинградский политехнический институт. ПЛ.: ЛПИ, 1986.-70 с.

18. Кукис B.C. Перспективы улучшения характеристик двигателя Стирлинга / B.C. Кукис, М.И. Куколев, А.И. Костин, B.C. Дворцов, Г.А. Ноздрин, А.Ю. Абак-шин // Двигателестроение. — 2012. - № 3. - С. 3-6.

19. Кукис B.C. Влияние режима работы двигателя стирлинга наинтегральные характеристики цикла / B.C. Кукис, А.И. Рыбалко // Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ». — 2010 г. - С. 158-165.

20. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа : Учеб. для вузов / Л. Г. Лой-цянский; — 6-е изд., перераб. и доп. // М. : Наука, 1987. — 840 с.

21. Мышинский Э. Л., Судовые поршневые двигатели внешнего сгорания. / Э. Л. Мышинский, М. А. Рыжков-Дудонов // Л.: Судостроение, 1976 - 76 с.

22. Райков, И.Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания : Учеб. для вузов / И.Я. Райков; // Москва : Высш. шк., 1975. — 320 с.

23. Ридер Г. Двигатели Стерлинга.-/ Г. Ридер, Ч. Хупер // М.: Мир, 1986 - 464 с.

24. Ставицкий В. В. Разработка, создание и анализ эффективности регенераторов ДС / В. В. Ставицкий под рук. Н. Н. Иванченко, научный консультант Ю. В. Красивский. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук // Л., ЦНИДИ, 1983 г. - 186 с

25. Сегаль М. С, Оптимизация внутреннего контура ДС на основе выходных параметров теплообменных аппаратов / М. С. Сегаль под рук. Н. Н. Иванченко, научный консультант Ю. В. Красивский. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук // Л., ЦНИДИ, 1984 г. - 159 с

26. Столяров С. П. Методика расчета и результаты исследований системы передачи теплоты к нагревателю двигателя с внешним подводом теплоты / С. П. Столяров под рук. П.А. Гордеева // СПбГМТУ, 2003 г. - 232 с.

27. Столяров С.П. Двигатели Стирлинга: проблемы XXI века. Системы подвода теплоты / С.П. Столяров //Двигателестроение — 2002. — N3. — с. 15.

28. Тамонис М.М. Численное моделирование теплового режима нагревателя ДС / М.М. Тамонис, А.И. Гедрайтис, Ю.В. Красивский, В.А. Шилдалаускас // Двигателестроение.— 1985. — N9. — с.19.

29. Трухов B.C. Расчет параметров внутреннего теплообменного контура двигателя Стирлинга. / Трухов B.C., Турсунбаев И.А., Умаров Г.Я; Ташкент, «Фан», 1979. - 80 с.

30. Черноусов А. А. Основы численного моделирования рабочих процессов тепловых двигателей: учеб. пособие / А.А. Черноусов; Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. // Уфа: УГАТУ, 2008. - 256 с.

31. Уокер Г. Двигатели Стирлинга. //М.: Машиностроение, 1985 -401 с.

32. Уокер Г. Машины, работающие по циклу Стирлинга. // М.: Машиностроение, 1978 - 152 с.

33. Azetsu A Computer Simulation Model for Stirling Engine / Azetsu A., Nakajima N., Iirata M. // Mechanical Engineering Publications Limited, London - 1982 -Stirling Engines -Progress Towards Reality c. 57-63.

34. Barth E. J. Dynamic Modeling of a Regenerator for the Control-Based Design of Free-Piston Stirling Engines / E. J. Barth, M. Hofacker // Proceedings of 2009 NSF Engineering Research and Innovation Conference, Honolulu, Hawaii, 2009 г. - c. 404 -414.

35. Chen N. C. J. A review of Stirling engine mathematical models / N. C. J. Chen, F. P. Griffin // Oak Ridge national laboratory, 1983 r. - 42 c.

36. Dyson R, Fast Whole-Engine Stirling Analysis / R. Dyson, S. Wilson, R. Tew, R. Demko // Third International Energy Conversion Engineering Conference, 2005 -35 c.

37. Finkelstein T. Air engines: the history, science, and reality of the perfect engine / Theodor Finkelstein, Allan J. Organ; — ASME Press, 2001. — 261c.

38. Fluent theory guide // SAS IP, Inc., 2011 r. - 826 c.

39. Gedeon D. R. The Optimization of Stirling Cycle Machines // Proceedings of the 13th IECEC — 1978 — c. 1784-1790.

40. Hargreaves Clifford M.. The Philips Stirling engine / Clifford M. Hargreaves; — Elsevier, 1991, —457c.

41. Hoehn F. W. Preliminary Test Results with a Stirling Laboratory Research Engine / Hoehn F. W., Nguyen B. D., Schmit D. D. // Proceedings of the 14th IECEC — 1979 —c. 1075-1081.

42. T. J. Heames A User Oriented Design System for Stirling Cycle Codes // Proceedings of the 17th IECEC — 1982 — c. 1681-87

43. Kraitong K. Numerical modelling and design optimisation of Stirling engines for power production / K. Kraitong. A thesis submitted in partial fulfillment of the requirements of the for the degree of Doctor of Philosophy // University of Northumbria, Newcastle, 2012 r. - 223 c.

44. Martini W. R. Stirling Engine Design Manual / W. R. Martini; — The Office, 1983. —409c.

45. Minassians A. D. Multiphase Stirling Engines // A. D. Minassians, S. A. Sanders // Journal of Solar Energy Engineering. 2009 №131C.5-16.

46. Munoz de Escalona J.M. Model of performance of Stirling engines / J.M. Munoz de Escalona, D. Sanchez, R. Chacartegui, T. Sanchez // ASME. — 2012. — Proceedings of ASME Turbo expo 2012.

47. Organ A. J. The air engine: Stirling cycle power for a sustainable future / A. J. Organ; — CRC Press, 2007.-276c.

48. Organ A. J. Thermodynamics and Gas Dynamics of the Stirling Cycle Machine / A. J. Organ; — Cambridge University Press, 1992. — 415c.

49. Park S.H. An approximate thermal analysis of Stirling engine regenerators / S.H. Park, Y.S. Lee // KSME journal. — 1993. — Vol.7. — No.2. — c.133.

50. Ovale E. B. A Mathematical Model for Steady Operation of Stirling-Type Engines / Ovale E. B. Smith J. I. // J. Eng. Power (January 1968) c.45-50.

51. Lee K. Thermodynamic Description of an Adiabatic Second Order Analysis for Stirling Engines/ Lee K., Krepchin I. P., Toscano W. M. // Proceedings of the 16th IECEC — 1981 — c. 1919-1924.

52. Rogdakis E.D. Thermodynamic analysis and performance investigation of an alpha-type Stirling Engine / E.D. Rogdakis, I.P. Koronaki, G.D. Antonakos // ASME. —

2012. — Proceedings of ASME 2012 11th Biennial conference on engineering systems design and analysis.

53. Roland C. Conceptual and basic design of a Stirling engine prototype for electrical power generation by solar means / C. Roldan, P. Pieretti, L.R. Solorzano // ASME.

— 2010. — Proceedings of ASME 2010 4th international conference on energy sustain-ability.

54. Ross A. Stirling cycle engines / A. Ross; — Solar Engines, 1977. — 121c. 57.

55. Sahu A. B. CFD simulation of a small Stirling cryocooler. / A. B. Sahu under the guidance of R. K. Sahoo. A thesis submitted on partial fulfillment of the requirements for the degree of Bachelor of technology // Rourkela National Institute of Technology, 2010 r.- 48 c.

56. Schopfer S. Experimental and Numerical Determination of Thermohydraulic Properties of Regenerators Subjected to Oscillating Flow / S. Schopfer. A dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of applied science // University of Victoria, 2011 r., - 129 c.

57. Shendage D.J. Investigations on performance of Stirling engine regenerator matrix / D.J. Shendage, S.B. Kedare, S.L. Bapat // ASME. — 2011. — Proceedings of ASME/JSME 2011 8th Thermal engineering joint conference.

58. Snyman H. Design analysis methods for Stirling engines. / H. Snyman, T.M. Harms, J.M. Strauss // Journal of energy in southern Africa. — 2008. — Vol.19. — N3.

— c.4.

59. Schock A. Nodal Analysis of Stirling Cycle Devices // Proceedings of the 13th IECEC — 1978 c. — 1771-1779.

60. Shoureshi R. Simple Models for Analysis and Design of Practical Stirling Engines // Proceedings of the 17th IECEC 1982 — c. 1647-1651.

61. Tew R. Stirling Engine Computer Model For Performance Calculations / Tew R., Jefferies K., Miao D. // NASA TM-78884, Natl. Aeronautics and Space Administration

— July 1978.

62. Timoumi Y. Performance optimization of Stirling engines. / Y. Timoumi, I. Tlili, B. Sassi // Renewable energy. — 2008. — N33. — c.2134.

63. Urieli I. Stirling cycle engine analysis /1. Urieli, D. M. Berchowitz; // A. Hilger, 1984, —256 c.

64. Zacharias F. Further Stirling Engine Development Work - Part 1 // Motortech. Z. — 1977 — N38(9) — c. 371-377.

Таблица 1. Текст программного модуля, использовавшегося для расчета процесса теплообмена между рабочим телом и материалом насадки регенератора.

include "udf.h"

DEFINE_SOURCE(q_reg,c,t,dS,eqn)

{

real x[ND_ND]; real source; real temper; real alph; real nu; real re; real prl; real prw; real st; real vise; real dvisc; real dviscw; real vel; real tw; real twn; real delt; real coeff;

C_CENTROID(x,c,t); tw=C_UDSI(c,t,0); temper = C_T(c,t); vel=ABS(C_U(c,t));

Продолжение таблицы 1.

st=((2000/60)*0.0023125)/(vel);

dvisc=18.27*((291.15+120)/(temper+120))*(pow(temper/291.15,3/2))/1000000;

dviscw= 18.27*((291.15+120)/(tw+120))*(pow(tw/291.15,3/2))/1000000;

prl=dvisc* 1006.43/0.0242;

prw=dviscw* 1006.43/0.0242;

coeff=prl/prw;

visc=dvisc/C_R(c,t);

re=(ABS(C_U(c,t)))*0.0023125/visc;

nu=0.41*(pow(re,0.6))*pow(prl,0.33)*pow(coeff,0.25);

alph=nu*0.026/0.0023125;

source = alph*(tw-C_T(c,t))*1600;

delt=(source * (1 +2/3) *0.00001 / (C_VOLUME(c ,t)*0.2*2719*871)); twn=tw+delt;

if (ABS(delt)>ABS(tw-temper)) {

source=C_VOLUME(c,t)*0.2*2719*87 l*(tw-temper);

}

return source;

\ j

DEFINE EXECUTE AT END(twadjust)

{

Domain *d = Get Domain(l); int zone_ID=88;

Thread *t = Lookup_Thread(d,zone_ID); real x[ND_ND]; real source; real temper;

Продолжение таблицы 1. real alph; real nu; real re; real prl; real prw; real st; real vise; real dvisc; real dviscw; real vel; real tw; real twn; real delt; cell t c; FILE *fp;

fp=fopen("q_reg.txt", "w");

begin_c_loop(c,t) {

C_CENTROID(x,c,t); tw=C_UD S l(c,t,0); temper = C_T(c,t); vel=ABS(C_U(c,t)); st=((2000/60)*0.0023125)/(vel);

dvisc= 18.27*((291.15+120)/(temper+ 120))*(pow(temper/291.15,3/2))/l 000000; dvi scw= 18.27* ((291.15+120)/(tw+120))* (pow(tw/291.15,3/2))/1000000; prl=dvisc* 1006.43/0.0242; prw=dviscw* 1006.43/0.0242; visc=dvisc/C_R(c,t);

Продолжение таблицы 1. re=vel*0.0023125/visc; nu=0.41*pow(prl,0.33)*pow(prl/prw,0.25); alph=nu*0.026/0.0023125; source = -alph*(tw-temper)*1600;

delt=(source*(l+2/3)*0.00001)/(C_VOLUME(c,t)'i:0.2*2719*871);

twn=tw+delt;

C_UDSI(c,t,0)=twn;

if (ABS(delt)>ABS(tw-temper)) {

C_UDSI(c,t,0)=temper; }

}

end_c_loop(c,t)

fprintf (fp, "%f %fW', alph, source);

fclose(fp); }

DEFINE_PROFILE(hott, thread, index)

r

i

real x[ND_ND]; real y; face t f;

begin_f_loop(f,thread) {

F_CENTROID(x,f,thread); У = х[1];

F_PROFILE(f,thread,index) = 611.1 l-(444.44*y); } end_f_loop(f,thread) }

7.269+02 7 070+02 6 889+02 6 709+02 6 51е+02 6 329+02 6 139+02 5 949+02 5 769+02 5 579+02 5 38е+02 5 199+02 5 009+02 4 829+02 4 639+02 4 449+02 4 259+02 4 069+02 3 889+02 3 699+02 3 509+02

А=

Рис. 1. Поле температур рабочего тела в Кельвинах при ф=90°

7.169+02 6 989+02 6 809+02 6 619+02 6 439+02 6 25е+02 6 069+02 5 88е+02 5 709+02 5 519+02 5 ЗЗв+02 5159+02 4 979+02 4 789+02 4 609+02 4 429+02 4 239+02 4 059+02 3 87е+02 3 689+02 3 509+02

1

1

Рис. 2. Поле температур рабочего тела в Кельвинах при ср=180°

Рис. 3. Поле температур рабочего тела в Кельвинах при ф=270°

2 209+00 2 099+00 1 989+00 1 87е+00 1 769+00 1 659+00 1 549+00 1 439+00 1 329+00 1.219+00 1 109+00 9 509-01 8 809-01 7 719-01 6 619-01 5519-01 4 41е-01 3319-01 2.219-01 1 119-01 1 169-03

1

Чх

Л

Рис. 4. Поле скоростей рабочего тела в м/с при ф=90°

2929+00 2.779+00 2 62е+00 2 489+00 2 ЗЗэ+00 219е+00 2 04е+00 1 90е+00 1.759+00 1 609+00 1 469+00 1 319+00 1 179+00 1 029+00 8 76е-01 7 309-01 5 849-01 4 339-01 2939-01 1 479-01 1 229-03

J

Рис. 6. Поле скоростей рабочего тела в м/с при ф=180

■

1 1 1 г 1 1 9

6

659+00 529+00 389+00 25е+00 .128+00 999+00 869+00 729+00 596+00 46е+00 339+00 209+00 069+00 319-01 999-01 679-01 359-01 .026-01 706-01 386-01 946-03

1

1 4

Рис. 7. Поле скоростей рабочего тела в м/с при ср=180

Рис. 8. График зависимости температуры рабочего тела в регенераторе от продольной координаты при ф=0°

Рис. 9. График зависимости температуры рабочего тела в регенераторе от продольной координаты при ф=90°

Рис. 11. График зависимости температуры рабочего тела в регенераторе от продольной координаты при (р=180°

133