Khảo sát đặc tính công suất của động cơ stirling loại alpha bằng phương pháp giải tích và phương pháp số

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHAN SONG VŨ

KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CƠNG SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ
STIRLING LOẠI ALPHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI
TÍCH VÀ PHƯƠNG PHÁP SỐ

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
Mã số: 60520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2015


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP. HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Chí Cơng
(Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ đồng hướng dẫn khoa học: TS. Huỳnh Thanh Công
(Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Nguyễn Ngọc Dũng
(Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Nguyễn Văn Trạng
(Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 12 tháng 01 năm 2016.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1. PGS. TS. Phạm Xuân Mai
2. TS. Trần Hữu Nhân
3. TS. Nguyễn Ngọc Dũng
4. TS. Nguyễn Văn Trạng
5. TS. Nguyễn Chí Thanh
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

______________________

______________

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Phan Song Vũ

MSHV: 13130420

Ngày, tháng, năm sinh: 27/02/1990

Nơi sinh: Đà Nẵng

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực

Mã số: 60520116

Khóa (năm trúng tuyển): 2013
I.

TÊN ĐỀ TÀI:
Khảo sát đặc tính cơng suất của động cơ Stirling loại alpha bằng phương pháp
giải tích và phương pháp số.

II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Nghiên cứu đặc tính cơng và cơng suất của động cơ Stirling loại alpha dựa
trên bộ thông số thiết kế ban đầu.
2. Nghiên cứu đặc tính cơng và công suất của động cơ Stirling loại alpha sử
dụng phương pháp giải tích và phương pháp số (CFD), sau đó so sánh kết
quả của 2 phương pháp và đề ra bộ thông số thiết kế tối ưu cho động cơ.

III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/01/2015

IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/12/2015

V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Nguyễn Chí Cơng và TS. Huỳnh Thanh Cơng
Tp. Hồ Chí Minh, ngày……tháng……năm……

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến cha mẹ của tôi.

Đề tài này được thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Chí Cơng và TS. Huỳnh
Thanh Cơng. Tơi xin gửi lời cảm ơn đến TS. Nguyễn Chí Cơng, người đã tận tình
hướng dẫn và truyền đạt cho tơi những kiến thức chuyên sâu trong quá trình thực
hiện phương pháp số. Xin gửi lời cảm ơn đến TS. Huỳnh Thanh Công, người đã hỗ
trợ cho tôi rất nhiều về mặt kiến thức chuyên môn và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong
quá trình thí nghiệm.

Tơi xin gửi lời cảm ơn đến ban hội đồng chấm Đề Cương Luận Văn Thạc Sĩ, những
nhận xét hữu ích của ban hội đồng đã giúp tơi hoàn thiện luận văn này.

Xin gửi lời cảm ơn đến các bạn sinh viên khoá 2011 đang thực hiện đề án khoa học

về động cơ Stirling loại alpha, thuộc bộ mơn Ơ tơ – Máy động lực, trường Đại Học
Bách Khoa Tp. HCM vì sự đóng góp nhiệt tình của các bạn trong q trình làm việc
tại phịng thí nghiệm.

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến các anh/chị học viên cao học khố 2013, bộ mơn
Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực vì đã đồng hành cùng tơi trong suốt niên khố này.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2015

i


TĨM TẮT

Luận văn này trình bày các kết quả nghiên cứu về đặc tính cơng và cơng suất của
động cơ Stirling loại alpha dựa trên các thông số thiết kế. Đặc tính cơng và cơng suất
được khảo sát bằng 2 phương pháp: phương pháp giải tích của Schmidt [1] kết hợp
với lý thuyết về hiệu suất cơ khí của Senf [2] và phương pháp số (mô phỏng CFD).
Kết quả của 2 phương pháp sau đó được so sánh và biện luận để xác định vùng thông
số thiết kế tối ưu mà tại đó động cơ đạt cơng suất cực đại.
Kết quả thu được cho thấy bộ thông số thiết kế ban đầu có tỉ lệ thể tích qt và góc
lệch pha nằm ngồi vùng thơng số tối ưu nên cơng suất của động cơ vẫn cịn bị hạn
chế. Do đó, việc điều chỉnh các thông số này cho phù hợp là cần thiết để động cơ đạt
công suất cực đại.

ABSTRACT

This thesis studies the work and output power characteristic of an alpha – Stirling
engine based on the designed parameters. The characteristic is obtained using 2
methods: the analytic method of Schmidt [1] in combination with Senf’s mechanical

effectiveness theory [2], and the numerical method (CFD simulation). The results are
then compared and discussed to specify the optimal parameter zones, in which the
engine produces maximum output power.
The result shows that, the original “swipe volume ratio”

and “phase angle”

parameters lie outside of the optimal zone, thus limits the current output power. In
other words, a revision of the designed parameters is necessary in order to maximize
the engine’s power.

ii


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, luận văn: “Khảo sát đặc tính cơng suất của động cơ Stirling loại
alpha bằng phương pháp giải tích và phương pháp số” được thực hiện dưới sự
hướng dẫn của TS. Nguyễn Chí Cơng và TS. Huỳnh Thanh Công, tất cả các kết quả
trong luận văn này đều do tôi thực hiện và chưa được công bố bởi bất kỳ tác giả nào
khác.

Người thực hiện

iii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..........................................................................................................i
TÓM TẮT ...............................................................................................................ii

ABSTRACT ............................................................................................................ii
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. iii
MỤC LỤC ............................................................................................................. iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH .....................................................................................vii
DANH MỤC PHỤ LỤC ......................................................................................... ix
DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG TOÁN HỌC ............. x
Chương 1

TỔNG QUAN ..................................................................................... 1

1.1

Tính cấp thiết của đề tài.............................................................................. 1

1.2

Sự cần thiết phải sử dụng phương pháp số .................................................. 3

1.3

Đóng góp mới của đề tài............................................................................. 4

1.4

Mục tiêu của đề tài ..................................................................................... 5

1.4.1

Mục tiêu chính ..................................................................................... 5

1.4.2

Mục tiêu phụ ........................................................................................ 5

1.5

Tổng quan về động cơ Stirling.................................................................... 6

1.6

Phân loại động cơ Stirling .......................................................................... 7

1.7

Ứng dụng của động cơ Stirling ................................................................... 7

1.8

Tổng quan về các hướng nghiên cứu .......................................................... 9

1.9

Tổng quan về các mơ hình nghiên cứu...................................................... 10

1.9.1

Mơ hình giải tích................................................................................ 10

iv

1.9.2

Mơ hình số ......................................................................................... 11

1.9.3

Mơ hình CFD..................................................................................... 13

1.9.4

Trở ngại của phương pháp mô phỏng CFD ........................................ 14

Chương 2

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................... 16

2.1

Quy trình nghiên cứu ................................................................................ 16

2.2

Phương pháp giải tích ............................................................................... 17

2.3

Phương pháp số (mơ phỏng CFD) ............................................................ 24

2.3.1

Cấu trúc hình học và lưới ................................................................... 25

2.3.2

Điều kiện biên và mơ hình tính tốn................................................... 26

Chương 3

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .............................................................. 33

3.1

Kết quả của mơ hình CFD ........................................................................ 33

3.1.1

Sự hội tụ của các đại lượng vật lý ...................................................... 33

3.1.2

Nhiệt độ ............................................................................................. 33

3.1.3

Áp suất .............................................................................................. 36

3.1.4

Thông lượng nhiệt ............................................................................. 38

3.2

Kết quả về công và công suất ................................................................... 40

3.3

Kiểm chứng kết quả của phương pháp CFD ............................................. 47

Chương 4

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .......................................... 50

4.1

Kết luận .................................................................................................... 50

4.2

Hướng phát triển ...................................................................................... 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 53
PHỤ LỤC.............................................................................................................. 56

v


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các đại lượng và thông số thiết kế của động cơ Stirling loại alpha trong

phương pháp giải tích ............................................................................................ 17
Bảng 2.2. Thơng số điều kiện biên của vùng giãn nở ............................................. 29
Bảng 2.3. Thông số điều kiện biên của vùng nén ................................................... 30
Bảng 2.4. Thông số điều kiện biên của vùng lưu chất ............................................ 30
Bảng 2.5. Các bộ thông số được khảo sát bằng phương pháp CFD ........................ 31
Bảng 3.1. Tổng kết giá trị công suất của các bộ thông số thiết kế .......................... 46

vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Mức tăng nồng độ Cacbondioxide trong khí quyển theo năm ................... 1
Hình 1.2. Mức tăng trưởng của năng lượng mặt trời từ năm 2009-2014 ................... 2
Hình 1.3. Tổng sản lượng điện năng lượng mặt trời trên thế giới theo năm .............. 3
Hình 1.4. Phân loại động cơ Stirling ........................................................................ 7
Hình 1.5. Hệ thống phát điện CHP 6.5kW Qnergy cho hộ gia đình.......................... 8
Hình 1.6. Động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời 25kW SES........................ 9
Hình 1.7. Mơ hình second-order cho động cơ Stirling loại alpha [5] ...................... 12
Hình 1.8. Mơ hình 3D CFD của động cơ Stirling loại alpha [4] ............................. 14
Hình 2.1. Sơ đồ quy trình nghiên cứu .................................................................... 16
Hình 2.2. Mơ hình 2D của động cơ Stirling loại alpha ........................................... 19
Hình 2.3. Đồ thị chu trình P-V của động cơ Stirling loại alpha .............................. 21
Hình 2.4. Quy trình đơn giản hố mơ hình động cơ Stirling loại alpha................... 25
Hình 2.5. Lưới vng trên miền tính của động cơ Stirling loại alpha ..................... 26
Hình 2.6. Điều kiện biên của vùng giãn nở ............................................................ 29
Hình 2.7. Điều kiện biên của vùng nén .................................................................. 29
Hình 2.8. Điều kiện biên của vùng lưu chất ........................................................... 30
Hình 3.1. Sự hội tụ của các đại lượng vật lý theo số lần lặp ................................... 33
Hình 3.2. Phân bố nhiệt độ theo mốc thời gian ...................................................... 34
Hình 3.3. Sự biến thiên của nhiệt độ trong bộ hoàn nhiệt theo thời gian................. 34

Hình 3.4. Sự biến thiên của nhiệt độ trong vùng nén theo thời gian ....................... 35
Hình 3.5. Sự biến thiên của nhiệt độ trong vùng giãn nở theo thời gian ................. 35
Hình 3.6. Sự biến thiên của áp suất tĩnh trong động cơ Stirling theo thời gian ....... 36

vii


Hình 3.7. Sự biến thiên của áp suất động trong động cơ Stirling theo thời gian...... 37
Hình 3.8. Phân bố véc-tơ vận tốc trong động cơ Stirling ........................................ 37
Hình 3.9. Sự biến thiên thông lượng nhiệt trên bề mặt ống nối và bộ hồn nhiệt .... 38
Hình 3.10. Sự biến thiên thông lượng nhiệt trên bề mặt xylanh giãn nở ................. 38
Hình 3.11. Sự biến thiên thơng lượng nhiệt trên bề mặt xylanh nén ....................... 39
Hình 3.12. Phân bố cơng có ích (vơ thứ ngun) 3D của phương pháp giải tích .... 40
Hình 3.13. Phân bố cơng có ích (vơ thứ ngun) 2D của phương pháp giải tích .... 41
Hình 3.14. Phân bố cơng có ích (vơ thứ ngun) 3D của phương pháp CFD.......... 42
Hình 3.15. Phân bố cơng có ích (vơ thứ ngun) 2D của phương pháp CFD.......... 43
Hình 3.16. So sánh phân bố cơng có ích (vơ thứ nguyên) của 2 phương pháp ........ 44
Hình 3.17. Kiểm chứng kết về của phân bố cơng có ích (vơ thứ nguyên) ............... 47
Hình 3.18. Kết quả kiểm chứng phân bố cơng có ích (vơ thứ ngun) bằng phương
pháp giải tích ......................................................................................................... 49
Hình 4.1. Thiết kế đề nghị của động cơ Stirling loại alpha ..................................... 51

viii


DANH MỤC PHỤ LỤC
Phụ Lục 1. Bảng thông số vật liệu chế tạo của động cơ Stirling loại alpha ............. 56
Phụ Lục 2. Thông số thiết kế của động cơ Stirling loại alpha ................................. 57
Phụ Lục 3. Mã lập trình (code) của UDF ............................................................... 58
Phụ Lục 4. Sơ đồ giải thuật của mã lập trình (code) trong phương pháp giải tích ... 59

ix


DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT VÀ CÁC ĐẠI
LƯỢNG TOÁN HỌC

Thuật ngữ tiếng
Anh

Thuật ngữ
tiếng Việt
(nếu có)

Ký hiệu
viết tắt
(nếu có)

Ý nghĩa của thuật ngữ

CHP

hệ thống phát điện kết hợp
động cơ Stirling để tận dụng
nguồn nhiệt thừa

CFD

một phương pháp tính tốn số,
áp dụng cho các bài tốn liên

quan đến dịng chảy của lưu
chất

CSP

phương pháp tập trung năng
lượng mặt trời tại một điểm để
sản xuất điện năng

Combined Heat
and Power

Computational
Fluid Dynamics

Concentrated solar
power

Năng lượng
mặt trời tập
trung

Conjugate heat
transfer

Truyền nhiệt
hỗn hợp

mơ hình truyền nhiệt hỗn hợp
giữa miền lưu chất và miền rắn

Thể tích chết

phần thể tích cịn lại trong
xylanh khi piston ở vị trí điểm
chết trên

Lưới động

kỹ thuật chia lưới cho các mặt
chuyển động

Isothermal

Đẳng nhiệt

quá trình biến đổi trạng thái
của lưu chất trong điều kiện
nhiệt độ không đổi

P-V diagram

Chu trình PV

đồ thị thể hiện mối quan hệ
giữa áp suất và nhiệt độ của
lưu chất trong động cơ Stirling

Dead volume

Dynamic mesh

x


Regenerator

Bộ hồn
nhiệt

bộ phận thu và nhả nhiệt cho
dịng lưu chất bên trong động
cơ Stirling

Shaft work

Cơng có ích

cơng sản sinh tại trục truyền
động cuối của động cơ Stirling

Pin quang
điện

công nghệ pin quang điện sử
dụng năng lượng mặt trời để
sản xuất điện năng

Solar Photovoltaic

Solar PV

Thể tích quét

phần thể tích được piston quét
qua trong 1 chu kỳ

Thermoacoustic

Nhiệt-âm

lý thuyết nghiên cứu sự ảnh
hưởng của sóng âm đến nhiệt
độ và áp suất

Time step

Bước thời
gian

khái niệm bước nhảy thời gian
trong mơ hình tính tốn số

Turbulent

Nhiễu loạn

yếu tố gây nhiễu loạn trong
dịng lưu chất

Swept volume

User-defined
function

UDF

tính năng của phần mềm
ANSYS cho phép người dùng
lập trình các hàm số đặc biệt

Kí
hiệu

Giá trị ban đầu
(nếu có)

Đơn vị

Thể tích qt của piston giãn nở

Vse

125.6 x 10-6

m3

Thể tích quét của piston nén

Vsc

9.5 x 10-6

m3

Thể tích chết của piston giãn nở

Vde

9.5 x 10-6

m3

Thể tích chết của piston nén

Vdc

9.5 x 10-6

m3

Thể tích của bộ hoàn nhiệt

Vr

119.8 x 10-6

m3

Tên đại lượng

xi


Thể tích tức thời của vùng giãn nở

Ve

m3

Thể tích tức thời của vùng nén

Vc

m3

Thể tích tức thời của động cơ

V

m3

Nhiệt độ của vùng giãn nở

Te

649

°K

Nhiệt độ của vùng nén

Tc

303

°K

Nhiệt độ của bộ hồn nhiệt

Tr

476

°K

Hiệu suất cơ khí

E

0.8

Khối lượng khơng khí trong động cơ

m

Hằng số khí lý tưởng

R

Áp suất tức thời của động cơ

P

Pa

Áp suất cực đại của động cơ

Pmax

Pa

Áp suất cực tiểu của động cơ

Pmin

Pa

Áp suất trung bình của động cơ

Pavg

Pa

kg
287.05

Áp suất khí quyển

P0

Áp suất mơi trường

Pb

Góc lệch pha

θ

90

độ

Góc quay của bánh đà

α

0

độ

Tốc độ của động cơ

n

8.333

vịng/giây

Tỉ lệ thể tích qt

Rs

Tỉ lệ thể tích chết

Rd

Tỉ lệ nhiệt độ

Rt

Cơng chu trình P-V

Wc

J

Cơng có ích

Wi

J

Wavg

J

Cơng trung bình

xii

101,325

J/kg K

Pa
Pa


Công của ngoại lực

Wb

J

Công của piston trong vùng giãn nở

Wbe

J

Công của piston trong vùng nén

Wbc

J

Cơng chu trình (vơ thứ ngun)

Ac

Cơng có ích (vơ thứ ngun)

Ai

Cơng của ngoại lực (vơ thứ nguyên)

Ab

Công suất lý thuyết của động cơ

Lc

W

Công suất thực tế của động cơ

Le

W

Công suất thực tế (vô thứ nguyên)

Li

xiii


TỔNG QUAN

Chương 1

1.1

TỔNG QUAN

Tính cấp thiết của đề tài
Vấn đề ô nhiễm môi trường trên thế giới ngày càng diễn biến trầm trọng. Nồng

độ CO2 trong khí quyển, nguyên nhân chính làm gia tăng nhiệt độ của trái đất liên
tiếp cán những mốc kỉ lục mới. Tháng 5 năm 2013, lần đầu tiên giá trị nồng độ CO2
vượt ngưỡng 400 ppm tại trạm quan sát Mauna Loa (Hawaii). Tháng 4 năm 2014, 12
trạm quan sát trên thế giới đồng loạt ghi nhận giá trị 400 ppm. Điều này có nghĩa rằng
nồng độ CO2 cao kỉ lục đã trở thành vấn đề của tồn cầu và hồn tồn khơng có dấu
hiệu giảm sút.

Hình 1.1. Mức tăng nồng độ Cacbondioxide trong khí quyển theo năm
Xu hướng này đã và đang tiếp tục làm động lực thúc đẩy các nhà khoa học
nghiên cứu, tìm kiếm các giải pháp cho nguồn năng lượng tái tạo, bao gồm năng
lượng sinh học, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, địa nhiệt, hydro… Theo số liệu
thống kê từ nguồn REN21, trong nhóm các nguồn năng lượng tái tạo mới, từ năm
2009 đến nay, tốc độ tăng trưởng của công nghệ năng lượng mặt trời đang dẫn đầu
với mức tăng thường niên đạt ~30%. Theo đó, tổng sản lượng điện năng lượng mặt
trời của thế giới năm 2014 đạt 177 Gigawatts, gấp 7.5 lần so với năm 2009. Các quốc
1


TỔNG QUAN

gia đang dẫn đầu thế giới về sản lượng điện năng lượng mặt trời bao gồm Trung

Quốc, Đức, Mỹ và Tây Ban Nha.

Hình 1.2. Mức tăng trưởng của năng lượng mặt trời từ năm 2009-2014
Về khía cạnh động cơ Stirling, do có thể hoạt động với mọi nguồn nhiệt, nên
khả năng ứng dụng rất rộng rãi. 2 nguồn năng lượng ứng dụng cho động cơ Stirling
phổ biến nhất hiện nay là năng lượng mặt trời và năng lượng sinh học. Các dự án sản
xuất điện năng sử dụng chảo hội tụ và động cơ Stirling (CPS) lớn nhất hiện nay bao
gồm nhà máy điện Maricopa 1.5 MW tại Arizona, Mỹ; dự án EURODISH của Đức
và Italia; nhà máy điện Aznalcollar 0.8 MW tại Sevilla, Tây Ban Nha.
Việt Nam là quốc gia có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời nên việc phát
triển ứng dụng của động cơ Stirling trở nên rất hữu ích. Theo khảo sát của Ciemat et
al. [3], năng lượng mặt trời trung bình đạt 4-5 KWh/m2/ngày tại các vùng miền phía
Nam. Theo đó, tiềm năng khai thác điện ước tính có thể lên đến 2 MWh/m2/năm. Hơn
nữa, việc phát triển kết hợp với nhiên liệu sinh học cũng rất khả thi đối với những

2


TỔNG QUAN

khu vực nông thôn, nhằm tận dụng nguồn nhiên liệu và tiết kiệm chi phí truyền tải
điện năng.

Hình 1.3. Tổng sản lượng điện năng lượng mặt trời trên thế giới theo năm

1.2

Sự cần thiết phải sử dụng phương pháp số
Trên thực tế, quá trình thiết kế động cơ Stirling của các kỹ sư hiện nay cịn gặp

phải nhiều khó khăn do số lượng nghiên cứu tối ưu hố cịn chưa nhiều. Hơn nữa, do
tính chất phức tạp của quá trình trao đổi nhiệt, các phương pháp nghiên cứu động cơ
Stirling đều gặp phải những trở ngại nhất định. Cụ thể như phương pháp giải tích áp
dụng các giả thuyết chưa thực tế nên kết quả dự đốn cịn chưa chính xác. Số liệu từ
phương pháp thực nghiệm cịn khá ít và rải rác, không đủ tính khái quát để áp dụng
cho mọi thông số kỹ thuật. Phương pháp số bị thử thách bởi khối lượng tính tốn, khả
năng hội tụ và việc kiểm chứng kết quả.
Có thể nói, việc nghiên cứu tính tốn, mơ phỏng là rất cần thiết để phát triển
và ứng dụng rộng rãi động cơ Stirling trong tương lai, góp phần cải thiện tình trạng ơ
nhiễm mơi trường. Ngồi ra, cũng cần phải hồn thiện các phương pháp mô phỏng

3


TỔNG QUAN

và các mơ hình số để kết quả tính tốn được chính xác hơn, giải quyết được bài tốn
thiết kế tối ưu cho các kỹ sư.

1.3

Đóng góp mới của đề tài
Cho đến nay, có rất ít hướng nghiên cứu sử dụng thành công phương pháp

CFD để mô phỏng động cơ Stirling. Tiêu biểu nhất là các nghiên cứu mô phỏng động
cơ Stirling bằng phương pháp 3D CFD của Chen [4] và 2D CFD của Mahkamov [5].
Các hướng nghiên cứu này đều tập trung mô phỏng ứng xử của khối lưu chất bên
trong động cơ và khảo sát công suất trên chu trình P-V.
So với các hướng nghiên cứu trên, đề tài mô phỏng động cơ Stirling loại alpha
sử dụng phương pháp CFD có những đóng góp mới sau đây:



Áp dụng mơ hình truyền nhiệt hỗn hợp để mơ phỏng quá trình truyền nhiệt

hỗn hợp giữa miền lưu chất và miền rắn. Đây là lần đầu tiên mơ hình này được áp
dụng trong việc nghiên cứu động cơ Stirling. Theo đó, mơ hình này sẽ thể hiện được
sự mất mát nhiệt lượng giữa mơi trường ngồi và thành rắn, nhằm đưa việc tính tốn
cơng suất động cơ Stirling gần với thực tế và cho kết quả chính xác hơn.


Áp dụng lý thuyết về hiệu suất cơ khí của Senf [2] vào mơ hình mơ phỏng

CFD để khảo sát cơng suất thực tế của động cơ Stirling, đồng thời so sánh với cơng
và cơng suất lý thuyết từ chu trình P-V.


So sánh và phân tích sự khác biệt về kết quả giữa phương pháp giải tích và

phương pháp CFD. Đồng thời khảo sát vùng thông số tối ưu để động cơ Stirling đạt
công suất cực đại trong cả 2 phương pháp.

4


TỔNG QUAN

1.4

Mục tiêu của đề tài

1.4.1 Mục tiêu chính
Mục tiêu chính của đề tài là khảo sát đặc tính cơng và công suất của động cơ
Stirling loại alpha dựa trên các thơng số thiết kế, nhằm tìm ra vùng thơng số tối ưu
mà tại đó động cơ đạt cơng suất cực đại.
Phương pháp số (CFD) được áp dụng để mô phỏng ứng xử của khối lưu chất
bên trong động cơ Stirling và quá trình truyền nhiệt hỗn hợp giữa lưu chất và thành
rắn xung quanh. Trong đó, phương trình vật lý thể hiện đặc tính động lực học của
dịng lưu chất là phương trình Navier-Stock dạng đầy đủ. Phương trình năng lượng
mơ tả ứng xử của q trình truyền nhiệt hỗn hợp trong dòng lưu chất và trong thành
rắn sẽ được mô phỏng đồng thời. Kết quả nghiên cứu bao gồm phân bố nhiệt độ và
áp suất trong xylanh của động cơ. Cơng chu trình P-V, cơng có ích và cơng suất sau
đó được tính tốn dựa trên các kết quả mơ phỏng này.
Trước hết, kết quả sẽ được tính tốn dựa trên thơng số thiết kế ban đầu của
động cơ. Sau đó q trình tính tốn được lặp lại với giá trị biến thiên của từng thông
số. Cuối cùng, kết quả bao gồm cơng có ích và cơng suất sẽ được biểu thị theo các
biến đặc trưng cho từng thơng số kỹ thuật.

1.4.2 Mục tiêu phụ
1.4.2.1 Tính tốn tối ưu động cơ Stirling loại alpha bằng phương pháp giải tích
Mặc dù mơ hình giải tích của động cơ Stirling sử dụng khá nhiều giả thiết đơn
giản hoá và kết quả tính tốn cịn chưa sát với thực tế. Tuy nhiên, đường đặc tính
cơng và cơng suất lý thuyết có khả năng thể hiện vùng thông số chung mà tại đó động
cơ hoạt động với cơng suất tối đa.
Đề tài này sử dụng mơ hình giải tích của Schmidt [1], áp dụng thêm lý thuyết
về hiệu suất cơ khí của Senf [2] để tính tốn tối ưu cơng suất của động cơ Stirling loại
alpha theo phương pháp đề nghị của Cheng [6]. Các thông số kỹ thuật biến thiên để

5

TỔNG QUAN

khảo sát bao gồm góc lệch pha, tỉ lệ thể tích quét, tỉ lệ thể tích chết và hiệu suất cơ
khí. Kết quả bao gồm cơng chu trình P-V và công suất được biểu diễn theo sự biến
thiên của từng thơng số.
1.4.2.2 So sánh và phân tích kết quả giữa 2 phương pháp
Kết quả của phương pháp mô phỏng số sẽ được so sánh với kết quả từ phương
pháp giải tích. Mục tiêu là so sánh vùng thơng số mà tại đó cơng suất của động cơ đạt
giá trị cực đại và tìm lời giải thích cho sự khác biệt (nếu có).
Các số liệu cơng suất biểu thị theo từng thông số kỹ thuật cũng được so sánh
và biện luận để từ đó rút ra nhận xét về mức độ chính xác và xác định ưu nhược điểm
của từng phương pháp.

1.5

Tổng quan về động cơ Stirling
Linh mục người Scottland, Robert Stirling là người đầu tiên thiết kế thành

công một động cơ chạy bằng khơng khí năm 1816. Ban đầu thiết kế này được biết
đến với tên gọi “động cơ chạy khí của Stirling”.
Với đặc tính an tồn, độ ồn thấp và có thể hoạt động với bất kỳ nguồn nhiệt
nào, động cơ Stirling xuất hiện trong một số ứng dụng như máy phát điện, máy bơm
nước, và thường được sử dụng ở các vùng nông thôn hoặc các khu vực khó tiếp cận
với năng lượng điện.
Trong những năm trở lại đây, động cơ Stirling gây được sự chú ý trở lại khi
vấn đề ô nhiễm môi trường càng trở nên nghiêm trọng. Mức độ phát thải thấp (khi
hoạt động với chất đốt) và khả năng tương thích với nhiều nguồn năng lượng xanh,
bao gồm năng lượng mặt trời, nhiên liệu sinh học, địa nhiệt, hay thậm chí là nhiệt
lượng thừa của các khu vực công nghiệp, là điều kiện tốt để phát triển ứng dụng của
động cơ Stirling. Bên cạnh đó, do cấu tạo đơn giản, việc thiết kế động cơ Stirling

không quá phức tạp và không yêu cầu việc bảo trì thường xuyên trong quá trình sử
dụng. Dĩ nhiên, động cơ Stirling vẫn tồn tại một số nhược điểm, cụ thể như tỉ lệ năng

6


TỔNG QUAN

lượng/khối lượng thấp, không thể thay đổi tốc độ/ moment tức thì như động cơ đốt
trong…

1.6

Phân loại động cơ Stirling
Động cơ Stirling được chia làm 3 loại chính dựa trên cấu trúc thiết kế bao gồm

alpha, beta và gamma. Ngồi ra, động cơ Stirling cịn một số cấu trúc khác như dạng
đĩa và dạng piston tự do. Các nghiên cứu lý thuyết chỉ ra rằng, động cơ Stirling loại
gamma có khả năng hoạt động với mức chênh lệch nhiệt độ thấp nhất, trong khi động
cơ Stirling loại beta có khả năng sinh cơng lớn nhất.

Hình 1.4. Phân loại động cơ Stirling

1.7

Ứng dụng của động cơ Stirling

Tính đến thời điểm hiện tại, động cơ Stirling được áp dụng chủ yếu trong các lĩnh
vực sau:


Máy phát điện: có khả năng hoạt động với mọi nguồn nhiên liệu, động cơ

Stirling được áp dụng rộng rãi làm máy phát điện. Nguồn nhiệt sử dụng phổ biến nhất
hiện nay là nhiên liệu sinh học.


Hệ thống CHP: đối với các nhà máy phát điện, đặc biệt là nhiệt điện, lượng

nhiệt thải ra môi trường trong q trình hoạt động chiếm một tỉ lệ khơng nhỏ. Do đó,

7


TỔNG QUAN

bên cạnh hệ thống phát điện thông thường, động cơ Stirling được ứng dụng để tận
dụng nguồn nhiệt thừa này để đóng góp một phần vào sản lượng điện của nhà máy.

Hình 1.5. Hệ thống phát điện CHP 6.5kW Qnergy cho hộ gia đình


Năng lượng mặt trời: động cơ Stirling được đặt tại tiêu cự của hệ thống gương

parabol và tận dụng nguồn nhiệt hội tụ để sản sinh năng lượng điện. Thông thường,
hệ thống gương parabol được trang bị hệ thống tự động thay đổi góc quay theo vị trí
của mặt trời. Phương pháp này trên lý thuyết cho hiệu suất cao hơn so với việc sử
dụng pin mặt trời khơng hội tụ.


Hệ thống làm lạnh: quy trình hoạt động của động cơ Stirling có thể đảo ngược,

cụ thể, chuyển động quay tại trục khuỷu được duy trì liên tục bằng một hệ thống bên
ngoài, kết quả là khác biệt về nhiệt độ sẽ xuất hiện tại hai khơng gian nóng/lạnh. Nhiệt
lạnh sản sinh bởi piston nén được ứng dụng trong các hệ thống làm lạnh. Trên thực
tế, động cơ Stirling có thể đạt đến nhiệt độ -200°C.


Tàu ngầm: khả năng hoạt động êm ái là nguyên nhân động cơ Stirling được

ứng dụng rộng rãi trong thiết kế tàu ngầm, do yêu cầu về tỉ lệ năng lượng/khối lượng
khơng q cao và có khả năng hoạt động trong điều kiện thiếu khơng khí.

8


TỔNG QUAN



Thiết bị quân sự/ thám hiểm: với tính linh động và khả năng hoạt động ở những

điều kiện đặc biệt, động cơ Stirling còn được ứng dụng cho máy phát điện xách tay
trong quân sự và trong các dự án thám hiểm khơng gian.

Hình 1.6. Động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời 25kW SES

1.8

Tổng quan về các hướng nghiên cứu

Mơ hình giải tích đầu tiên của động cơ Stirling được đề xuất bởi Schmidt [1]

vào năm 1871. Tiếp đến, một nhóm các nhà nghiên cứu bao gồm Finkelstein [7],
Walker [8], Kirkley [9] đã áp dụng mơ hình đẳng nhiệt của Schmidt [1] để tính tốn
tối ưu các thơng số như tỉ lệ thể tích qt, tỉ lệ thể tích chết cho cả 3 loại động cơ
Stirling. Theo đánh giá chung từ các hướng nghiên cứu trên thì động cơ Stirling loại
beta có khả năng sinh cơng chu trình lớn nhất và loại gamma có cơng chu trình nhỏ
nhất.
Sau đó, mơ hình giải tích được phát triển thành dạng chu trình bất đẳng nhiệt
và bất thuận nghịch như trong nghiên cứu của Finkelstein [10] vào năm 1967. Cùng
thời điểm này, một vài mơ hình số ra đời và được áp dụng để tối ưu hố thơng số của
9