活塞排气气动发动机仿真分析研究

【摘要】：气动发动机是利用高压气体工作,将高压气体膨胀对外做功的动力装置。面对日益突出的能源安全和环境保护问题,它与现有内燃机相比具备诸多的优点,主要是它的“零污染、零耗油率”,可广泛应用在车辆、发电等动力装置中,具有巨大的商业市场前景。现在国内外研究中的气动发动机大都沿用了内燃机的配气机构,借助凸轮轴的旋转来实现发动机的进、排气;或用高能气体吹动叶轮做功,并没有充分发挥高压气动发动机独有的特点,结构、效率不尽理想。本文的研究对象—活塞排气气动发动机:采用缸顶进气、活塞排气的进排气系统,它在结构上比现有的气动发动机更简单,更具有可操作性,加之采用活塞上排气方式进行工作,简化结构,且能实现气体单向流动,减少废气排出气缸时的流动阻力。为了进一步提高活塞排气气动发动机的做功效率,并建立一个用于活塞排气气动发动机设计和性能仿真计算的可重用、扩展灵活的仿真平台。基于对活塞排气气动发动机工作原理、工作过程的分析和排气活塞结构优化分析,本文建立了发动机工作的数学模型,在此基础上设计编制了性能仿真平台,以平台为工具进行了活塞排气气动发动机各种性能指标计算和性能影响因素的分析,主要包括: 1)以FLUENT为分析平台模拟仿真了活塞排气流道中的流场。由计算仿真得出的流场情况即速度矢量、压力矢量分布来预测流道流型设计的好坏,据分析活塞排气流道选择流线型; 2)以ANSYS为分析平台对整个排气活塞进行有限元分析。根据有限元理论,取活塞1/2模型作为分析对象,选取活塞受力最大时的状态做静力学分析,由计算仿真得出的应力场情况即应力、变形分布图来预测活塞应力危险区域和最大变形区域,据分析排气孔直径最大可增大到35mm,可通过活塞下端倒圆角来减少其与缸壁的摩擦; 3)依据发动机工作原理及过程建立数学模型,针对此模型采用了定步长四阶龙格-库塔解算方法,在MATLAB/GUIDE环境中运用模块化方法设计编制出活塞排气气动发动机性能仿真平台,以此平台为工具进行了发动机性能指标计算和影响因素分析,得到了有益的结论。