شبیه سازی موتور استرلینگ در انسیس فلوئنت – stirling engine چیست و چگونه کار می کند

یکی از بخش های مورد توجه محققان شبیه سازی موتور استرلینک (stirling engine ) برای بررسی عوامل مختلف در افزایش بازده این موتور است. امروزه شبیه سازی موتور استرلینگ در  انسیس فلوئنت ( Ansys Fluent ) محبوبیت فراوانی بدست آورده زیرا این نرم افزار به خوبی قادر به شبیه سازی عملکرد موتور استرلینگ می باشد.

تاریخچه موتور استرلینگ

موتور استرلینگ نوعی موتور بازیاب حرارتی از نوع احتراق خارجی بوده که در سال ۱۸۱۶ توسط رابرت استرلینگ اختراع شد. انگیزه اصلی از اختراع موتور استرلینگ در آن زمان، تولید توان از موتور های حرارتی با امنیت بالا و در نتیجه کاهش تلفات ناشی از انفجار های موتورهای بخار بود. از آنجایی که کارکرد موتور استرلینگ در فشارهایی بسیار پایین تر از موتورهای بخار است ، پس احتمال انفجار و تبعات ناشی از آن تقریباً از بین می‌رفت.

استفاده اولیه موتور استرلینگ در سال ۱۸۲۷ به منظور پمپاژ آب از اعماق چاه ها بود. موتور استرلینگ از آنجا که از نوع احتراق خارجی است پس بدنه آن در تماس مداوم با منبع حرارتی می باشد و با توجه به ظرفیت تکنولوژی مواد مقاوم حرارتی در آن زمان ، موتور استرلینگ خیلی زود از مصرف کنار می‌رفت که دلیل آن هم ذوب شدن بدنه به دلیل تماس مداوم با منبع حرارتی گرم بود. با ورود موتورهای احتراق داخلی در حدود ۶۰ سال بعد از اختراع موتور استرلینگ، موتور استرلینگ به کلی به فراموشی سپرده شد و موتورهای احتراق داخلی به دلیل حجم اندک با قابلیت توان بالا به سرعت فراگیر شد.

موتور استرلینگ نزدیک به یک قرن به فراموشی سپرده شد تا این که شرکت فیلیپس در سال ۱۹۴۰ به منظور تهیه برق برای ایستگاه‌های رادیویی های خود در مناطق دور از شبکه برق به فکر استفاده از موتور استرلینگ افتاد. در حقیقت در آن زمان تکنولوژی ساخت مواد برای مقاومت در برابر حرارت وجود داشت و از آنجایی که مشکل موتور استرلینگ نیز عمدتاً همین عامل بود ، تحقیقات بر روی استفاده از این موتور توسط شرکت فیلیپس به منظور تولید برق شروع شد. این عملکرد شرکت فیلیپس گام مهمی در استفاده دوباره از موتور استرلینگ گردید و در حقیقت شروع تحقیقات روی موتور استرلینگ از این مرحله آغاز شد.

عملکرد و اجزای موتور استرلینگ

موتور استرلینگ یک موتور حرارتی از نوع سیکل بسته است که دارای بخش هایی شامل محفظه انبساط در تماس با منبع گرم و قسمت تراکم در تماس با منبع سرد و بازیاب است. در حالت ایده آل موتور استرلینگ از چهار فرآیند برگشت‌پذیر تشکیل شده که شامل دو فرایند هم دما و دو فرایند هم حجم است. با توجه به برگشت پذیر بودن فرآیند ها بازده حرارتی موتور برابر با بازده کار بوده که بیشترین بازده ممکن است.
در شکل های زیر به صورت شماتیک به بررسی عملکرد موتور استرلینگ پرداخته شده است.

انواع موتور استرلینگ

موتور استرلینگ دسته بندی های متفاوتی دارد که عمدتاً بر اساس نوع مکانیزم حرکت ، نوع ساختار و بر اساس تعداد سیلندرهای قدرت است . مکانیزم حرکت با توجه به اتصال سیستم ها به میل لنگ و تبدیل حرکت رفت و برگشتی پیستون به دورانی است که مکانیسم های متعددی برای آن وجود دارد.

تعداد سیلندرهای قدرت این موتور متفاوت بوده و از موتورهای تک سیلندر و یا دو سیلندر تا معمولاً چهار سیلندر استفاده می شود. تفاوت آنها در تعداد سیلندرهای قدرت است که می‌توان با موتورهای احتراق داخلی دو سیلندر و یا چهار سیلندر مقایسه شود. همچین موتورها استرلینگ با توجه به ساختار آنها به سه دسته آلفا، بتا و گاما تقسیم بندی می شوند.

این دسته بندی به نحوه قرارگیری پیستون قدرت، پیستون جابجایی و مبدلهای حرارتی بستگی دارد. پیستون جابجایی در حقیقت پیستونی است که تنها وظیفه جابجایی سیال را داشته و به همین منظور معمولا از جنسی سبک تر نسبت به پیستون قدرت در موتور است. هر کدام از انواع آلفا، بتا و گاما ویژگی خاص خود را دارند که کاربرد ویژه هر کدام را سبب می شود.

ویژگی ها و کاربردهای موتور استرلینگ

با توجه به بسته بودن سیکل موتور استرلینگ می‌توان از سیال گران‌قیمت با خواص مناسب به جای هوا استفاده کرد. این عامل سبب بهبود عملکرد موتور شده و همچنین در مواردی که دسترسی به هوا محدود است می‌تواند مفید واقع شود. از طرفی با توجه به صدای پایین موتور در مقایسه با موتورهای دیزلی باعث محبوبیت موتور استرلینگ در زیردریایی ها شده است.

با توجه به فشار کاری پایین موتور استرلینگ قابلیت راه اندازی با اختلاف دمای کم منبع سرد و گرم و همچنین صدای پایین آن ، استفاده از موتور استرلینگ در کاربردهای مقیاس کوچک از محبوبیت زیادی برخوردار است. موتور استرلینگ در شرایط اختلاف دمای بسیار پایین منبع حرارتی گرم و سرد ، حتی در حدود 2 درجه سانتیگراد نیز به دلیل فشار کاری پایین آن قابل استفاده است. مثلا قابل استفاده برای خنک‌کاری پردازشگر بردهای کامپیوتری بوده که از حرارت پردازشگر به عنوان منبع حرارتی استفاده کرده و باعث خنک شدن پردازشگر با استفاده از فن میشود.

برای دریافت اطلاعات پیرامون شبیه سازی خنک کاری قطعات الکتریکی در لینک زیر به قسمت هیت سینک های حرارتی مراجعه کنید.

آموزش شبیه سازی هیت سینک ها در دوره فلوئنت

شبیه سازی موتور استرلینگ با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت

یکی از بخش های مورد توجه محققان شبیه سازی موتور استرلینگ در انسیس فلوئنت و بررسی عوامل مختلف در افزایش بازده این موتور است. در واقع محققان همیشه قبل و بعد از طراحی به شبیه سازی مبدل حرارتی در انسیس فلوئنت و شبیه سازی موتور استرلینگ  می پردازند تا با کمترین هزینه بتوانند به بازدهی بیشتری برسند. در شکل زیر یک نمونه از هندسه و شبکه بندی موتور استرلینگ آورده شده است با توجه به قرینه بودن این مدل چه از لحاظ هندسی و چه از لحاظ جریانی، استفاده از شرط مرزی سیمتری برای شبیه سازی موتور استرلینگ موجب کاهش حجم محاسبات می­شود.

همچنین با توجه با ساده سازی های صورت گرفته در شبیه سازی موتور استرلینگ میتوان از شبکه سازمان یافته برای شبیه سازی و بررسی رفتار جریان در موتور استرلینگ استفاده کرد.  شما  دوستان عزیز برای شبکه بندی و آموزش ایجاد شبکه بندی سازمان یافته میتوانید از دوره اموزش نرم افزار ICEM CFD  استفاده کنید.

حتما بخوانید

آموزش ICEM CFD

16 ساعت

مدل فیریکی و شرایط حاکم برای شبیه سازی موتور استرلینگ در انسیس فلوئنت

اولین گام برای شبیه سازی موتور استرلینگ در انسیس فلوئنت ، انتخاب مدل فیزیکی مناسب برای شبیه سازی است.  از آنجا که جریان درون موتور تراکم پذیر است لذا جریان تراکم پذیر را در نرم افزار انتخاب می کنیم. در جریان تراکم پذیر معادلات مومتوم و انرژی به یکدیگر وابسته بوده و لذا معادلات پیوستگی، مومنتوم و انرژی با یکدیگر و در کنار معادلات حالت سیال برای میدان مسئله حل خواهد شد.

برای سیال با توجه به رنج دما و فشار کاری از معادله حالت گاز ایده‌آل استفاده می شود .  با توجه به وجود شبکه دینامیکی(دینامیک مش) و اثر آن بر مسئله از یو دی اف (UDF) برای تولید های مش های متحرک استفاده می­شود. برای تسلط به این نوع شبیه سازی ها میتوانید از دوره های اموزش دینامیک مش و اموزش یو دی اف نویسی سایت استفاده کنید.

شرایط مرزی در شبیه سازی موتور استرلینگ در انسیس فلوئنت

در شبیه سازی موتور استرلینگ در انسیس فلوئنت تمام مرزها از نوع دیواره است به عبارتی از نشت سیال به بیرون صرف‌نظر می­شود و فضای موتور یک فضای ایزوله در نظر گرفته می شود. لذا شرایط حاکم از نوع شرایط مرزی روی دیواره است. برای سرعت دیواره هایی که ساکن هستند ، سرعت برابر با صفر و برای دیوارهای متحرک برابر با سرعت دیوار در نظر گرفته می شود که مقدار سرعت آن با توجه به شبکه دینامیکی محاسبه خواهد شد.

دیوارهای متحرک را می‌توان پیستون قدرت، دیواره‌های بازیاب و پیستون جابجایی را در نظر گرفت . برای دیوارهای ثابت می توان دیواره فضای تراکم و دیواره فضای انبساط را مثال زد. در نهایت برای دما دو نوع شرط مرزی دما ثابت و شار ثابت معمولاً استفاده می شود. در فضای تراکم برای دیوارهایی که در تماس با سیال خنک بوده از شرط مرزی دما ثابت  برابر با دمای سیال استفاده می شود.