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        自由活塞膨脹機-直線發(fā)電機流體仿真與運動分析*

        2023-12-29 13:45:06張凱彭寶營王鵬家童亮
        汽車技術 2023年12期
        關鍵詞:氣缸活塞孔徑

        張凱 彭寶營 王鵬家 童亮

        (北京信息科技大學,北京 100192)

        主題詞:自由活塞膨脹機-直線發(fā)電機 氣缸 流體仿真 運動特性

        1 前言

        自由活塞膨脹機-直線發(fā)電機(Free Piston Expander-Linear Generator,F(xiàn)PE-LG)作為一種新型汽車余熱回收裝置,通過對汽車尾氣進行回收利用,減少污染物排放量,提高能源利用效率。優(yōu)化裝置氣缸部分尺寸,是提高裝置集成度,使其順利應用于汽車領域的一個重要方面,氣缸內(nèi)活塞的運動特性也受到諸多學者的關注。Peng 等人研究了FPE-LG 耦合驅(qū)動電機時活塞的運動特性[1]。趙騰龍等人基于FPE-LG試驗臺架研究了外接負載電阻對活塞運動特性的影響[2]。張紅光等人研究了不同外部工況(驅(qū)動壓力、工作頻率、外接負載等)對活塞運動特性的影響[3-5]。Hou 等人也研究了外部負載電阻對活塞運動特性的影響[6]。Mhadi A.Ismael 等人開發(fā)自由活塞線性發(fā)電機試驗臺,研究了不同進氣壓力和閥門開啟時間下的活塞運動[7]。此外,張紅光等人通過仿真軟件搭建了系統(tǒng)仿真模型,基于該模型研究了活塞初始位移、活塞-動子連桿質(zhì)量以及工作頻率等對活塞運動特性的影響[8]。Xu 等人研究了不同氣門正時對系統(tǒng)運動特性的影響,并通過仿真模型分析了活塞的運動特性,以及高頻高壓工況下系統(tǒng)的性能[9-11]。Li 等人利用計算流體力學方法分析了不同工作頻率對活塞位移的影響,以及進、排氣過程中氣體的流動情況[12]。李頓等人以振動特性和輸出電壓變化作為評價指標,研究了不同工況對FPE-LG 系統(tǒng)平穩(wěn)性的影響[13]??梢钥闯觯瑢τ诨钊\動特性的研究主要集中在改變外部工況和外接負載方面,然而為了提高裝置的集成度,氣缸自身結(jié)構對活塞運動特性的影響同樣需要考慮。本文使用Fluent軟件,采用動網(wǎng)格技術對氣缸進行仿真,得到氣缸內(nèi)氣體壓力和流速的分布情況,探究活塞質(zhì)量、進排氣通口直徑、氣缸直徑以及進氣時間對活塞運動特性的影響。

        2 FPE-LG裝置

        如圖1a 所示,F(xiàn)PE-LG 試驗臺由左右兩側(cè)氣缸、直線發(fā)電機、電磁閥以及各種傳感器等組成。圖1b 所示為試驗過程原理,空氣壓縮機產(chǎn)生壓縮氣體,儲氣罐起穩(wěn)壓作用,經(jīng)壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)至適當壓力后,氣體進入氣缸內(nèi)膨脹做功,通過電磁閥控制進排氣通道的開閉,實現(xiàn)活塞連桿的往復運動,帶動直線發(fā)電機動子往復運動切割磁感線發(fā)電,從而實現(xiàn)將氣體能量轉(zhuǎn)化為電能。

        3 仿真過程

        3.1 仿真模型的建立

        試驗裝置中氣缸型號為SMC MDBB 63-100nz,規(guī)格如表1 所示。使用SolidWorks 對氣缸進行三維建模,并對模型進行合理簡化,去除活塞桿,活塞初始位置為上止點,如圖2所示。

        表1 氣缸規(guī)格

        圖2 氣缸三維模型和簡化模型

        3.2 網(wǎng)格劃分

        在Mash 中進行網(wǎng)格劃分:將活塞運動的區(qū)域設置為六面體網(wǎng)格,并選擇生成映射網(wǎng)格(Mapped Mesh),此時網(wǎng)格包含的單元數(shù)量更少,計算速度更快;其余區(qū)域默認生成四面體網(wǎng)格。網(wǎng)格尺寸為0.005 m,網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量為16 573 個,網(wǎng)格單元數(shù)量為39 773 個,網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

        圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果

        3.3 仿真條件設置

        開啟能量方程,選擇Realizablek-epsilon 粘性模型,壁面函數(shù)選擇可縮放壁面函數(shù)(Scalable Wall Funcations),計算設置為瞬態(tài)計算。流體選擇理想氣體,初始進氣壓力設為0.3 MPa。在動網(wǎng)格中對6個自由度進行設置,活塞運動方向選擇沿X方向平移?;钊|(zhì)量為0.27 kg,忽略氣缸與活塞間的摩擦。

        4 仿真結(jié)果及分析

        4.1 仿真結(jié)果

        4.1.1 不同階段氣體壓力、速度云圖

        氣體在氣缸內(nèi)共經(jīng)歷3 個階段,即進氣階段、膨脹階段和排氣階段。進氣階段,通口1、通口4 開啟,通口2、通口3 關閉,氣體進入左側(cè)氣腔,活塞在氣體的推動下從左向右移動。一段時間后,關閉通口1,氣體在氣缸內(nèi)膨脹,繼續(xù)推動活塞向右運動,此階段為膨脹階段。當活塞到達右側(cè)極限位置時,通口2、通口3 開啟,通口1、通口4 關閉,活塞從右向左運動,左側(cè)氣腔內(nèi)的氣體排出氣缸,此階段為排氣階段。

        圖4 所示為仿真過程中氣缸內(nèi)氣體在通口截面處不同階段的壓力云圖,可以看出,進氣階段隨著氣體流入左側(cè)進氣腔,活塞從左向右移動,進氣腔壓力逐漸增大。由于活塞向右移動,活塞右側(cè)腔體體積減小,氣體受到擠壓后并不能及時由排氣門排出,導致右側(cè)腔內(nèi)氣體壓力也逐漸增大。膨脹階段,氣體停止流入氣缸,氣缸內(nèi)的氣體繼續(xù)膨脹,推動活塞繼續(xù)向右運動。隨著活塞左側(cè)腔體體積逐漸增大,壓力逐漸降低?;钊蟆⒂覂蓚?cè)壓力差使得活塞進行減速運動,直到速度減為0。排氣階段,左側(cè)腔體內(nèi)氣體受到擠壓未能及時排出氣缸,排氣階段結(jié)束時左側(cè)腔體內(nèi)的壓力增大,未排出氣體進入下一循環(huán)繼續(xù)利用。

        圖4 氣體壓力云圖

        圖5所示為仿真過程中氣缸內(nèi)活塞左、右兩側(cè)氣體的流速,可以看出,在進氣階段和膨脹階段,進氣側(cè)腔體內(nèi),氣體由進氣通孔流入氣缸,受氣缸約束形成渦流,排氣側(cè)腔體內(nèi)氣體較少,氣體沿氣缸軸線均勻流出氣缸。處于排氣階段時,由于活塞左、右兩側(cè)腔體內(nèi)均已有氣體,氣體間相互作用,所以氣體流線規(guī)律不再明顯,形成紊流現(xiàn)象。

        圖5 氣體流線和流速云圖

        4.1.2 仿真結(jié)果驗證

        為驗證仿真結(jié)果的合理性,對比進氣壓力為0.3 MPa 時,試驗與仿真所得的活塞位移曲線,如圖6所示。活塞穩(wěn)定運行時,進氣階段活塞由左側(cè)極限位置開始運動,進氣一定時間后,關閉進氣通道,活塞繼續(xù)向右運動,直至活塞速度為0。此時,活塞左側(cè)腔體進入排氣階段,活塞從右向左運動。由于忽略了活塞與氣缸之間的摩擦,以及直線電機運行時所產(chǎn)生的電磁力,仿真結(jié)果與試驗結(jié)果相比,活塞往復運動的周期和行程存在一定偏差,但是,活塞穩(wěn)定運動后,其運動規(guī)律較為一致,均進行類正弦運動,因此,可用來進行定性分析。

        圖6 活塞位移曲線

        4.2 活塞質(zhì)量對運動特性的影響

        圖7所示為進、排氣通口孔徑為4 mm,氣缸直徑為63 mm,進氣時間為10 ms 時,活塞質(zhì)量分別為0.27 kg、0.57 kg、0.87 kg 和1.00 kg 條件下活塞的位移、速度曲線。由圖7a可以看出,氣體剛進入進氣腔時,活塞位移變化很小,這是由于氣體未能及時充滿進氣腔。當氣體充滿進氣腔后,進、排氣腔產(chǎn)生壓力差,推動活塞從初始位置向右運動,活塞速度逐漸增大。進氣腔體積逐漸增大,腔內(nèi)壓力逐漸減小,排氣腔體積逐漸減小,腔內(nèi)壓力逐漸增大,當活塞左、右兩側(cè)氣體壓力相同時,活塞加速度為0,此時速度達到最大。隨后,活塞右側(cè)氣體壓力較活塞左側(cè)大,活塞進行減速運動,直到速度減為0。活塞的位移隨活塞質(zhì)量的增加呈現(xiàn)先增加后趨于平緩的趨勢,當活塞質(zhì)量增加到0.87 kg時,繼續(xù)增加活塞質(zhì)量對活塞位移的影響較小。由圖7b 可知,活塞的峰值速度隨活塞質(zhì)量的增加而減小,當活塞質(zhì)量增加到0.87 kg時,繼續(xù)增加活塞質(zhì)量,活塞峰值速度減小的幅度變小。

        圖7 不同活塞質(zhì)量下活塞的位移、速度曲線

        4.3 進、排氣通口孔徑對活塞運動特性的影響

        圖8 所示為活塞質(zhì)量為0.27 kg,氣缸直徑為63 mm,進氣時間為10 ms 時,進、排氣通口孔徑分別為4 mm、5 mm、6 mm 和7 mm 條件下的活塞位移、速度曲線。由圖8a 可以看出,隨著通口孔徑的增加,活塞位移逐漸增大并趨于穩(wěn)定;由圖8b 可以看出,活塞的峰值速度隨著通口孔徑的增加先增大后微弱減小。隨著通口孔徑的增加,10 ms 內(nèi)進入氣缸內(nèi)的氣體增多,關閉進氣通道的瞬間,活塞的速度更大。氣體膨脹階段,隨著排氣通口孔徑的增加,氣體由排氣腔排出更快,活塞速度減至0所需的時間更短,通口孔徑為6 mm時,活塞速度最先下降為0。通口孔徑為7 mm時,活塞位移最大,達91 mm,通口孔徑為6 mm時,活塞峰值速度最大,達8.7 m/s,且活塞速度降為0約需19 ms。

        圖8 不同通口孔徑下活塞的位移、速度曲線

        4.4 氣缸直徑對活塞運動特性的影響

        圖9所示為進、排氣通口孔徑為4 mm,活塞質(zhì)量為0.27 kg,進氣時間為10 ms 時,氣缸直徑分別為63 mm、67 mm、71 mm、75 mm 和79 mm 條件下活塞的位移、速度曲線??梢钥闯觯S著氣缸直徑的增加,活塞位移、速度均逐漸減小。這是因為進氣時間一定,進入氣缸內(nèi)的氣體量相同,氣缸直徑越大,導致進入氣缸內(nèi)的氣體壓力越小,對活塞的驅(qū)動能力越弱。所以,在進氣壓力、進氣時間一定時,選用較小的缸徑可獲得較高的活塞運動速度。

        圖9 不同缸徑下活塞的位移、速度曲線

        4.5 進氣時間對活塞運動特性的影響

        圖10所示為通口孔徑為4 mm,氣缸直徑為79 mm,活塞質(zhì)量為0.27 kg 時,進氣時間分別為10 ms、12 ms、15 ms、18 ms 條件下活塞的位移、速度隨時間變化曲線。當進氣時間由10 ms 延長至15 ms,活塞的位移增大比較明顯;當進氣時間進一步延長到18 ms 時,活塞位移增大的幅度較小。由圖10b可以看出,隨著進氣時間的延長,活塞的峰值速度變化并不明顯。

        圖10 不同進氣時間下活塞的位移、速度曲線

        4.6 正交試驗結(jié)果分析

        由以上分析可以看出,活塞質(zhì)量、通口孔徑和氣缸直徑對活塞的運動特性有著不同程度的影響。使用正交試驗的方法,通過極差R分析,得到以上3 種因素對于活塞運動特性的影響程度。如表2所示,因素A、B、C分別對應活塞質(zhì)量、通口孔徑和缸徑,并各選取3 個水平進行正交試驗。正交試驗方案設計和試驗結(jié)果如表3 所示,根據(jù)試驗結(jié)果進行極差分析,其中ki為水平i條件下,對應因素的試驗結(jié)果之和的平均值,R為某因素下ki的最大值與最小值之差,其值越大表明該因素對試驗結(jié)果的影響程度越大,如表4 所示:通口孔徑對于活塞位移的影響程度最大,其次為氣缸直徑,活塞質(zhì)量對活塞位移的影響最?。煌诳讖綄钊逯邓俣鹊挠绊懗潭茸畲?,其次為活塞質(zhì)量,缸徑對活塞峰值速度的影響最小。

        表2 三因素及相應的水平值

        表3 正交試驗方案及試驗結(jié)果

        表4 極差分析結(jié)果

        5 結(jié)束語

        為了提高自由活塞膨脹機-直線發(fā)電機的集成度,使得在氣缸結(jié)構更加緊湊的情況下,活塞獲得更高的速度,本文分析了氣缸內(nèi)氣體的流動狀態(tài),研究了氣缸結(jié)構以及進氣時間對于活塞運動特性的影響,結(jié)論如下:

        a.氣體流經(jīng)進、排氣通口處,氣體壓力、速度較大;氣缸內(nèi)氣體壓力有所降低、氣體流速比較穩(wěn)定。

        b.隨活塞質(zhì)量的增加,活塞位移先增加后趨于穩(wěn)定;活塞速度先減小,后趨于穩(wěn)定。隨氣缸直徑的增加,活塞位移、速度均減小。

        c.隨通口孔徑、進氣時間的增加,活塞位移、速度均先增加后趨于穩(wěn)定。

        d.為了在行程較小時獲得較大的活塞速度,可在氣缸理論行程范圍內(nèi)首先考慮適當增大氣門通口孔徑、其次降低活塞質(zhì)量,最后減小氣缸直徑。

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