Προσομοίωση κινητήρα stirling με χρήση CFD σε περιβάλλον Ansys Fluent - Λαμπαδάκης, Επιφάνιος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ρευστών, 2018)
Το αντικείμενο της έρευνας της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η προσομοίωση μίας μηχανής Stirling με τη χρήση υπολογιστικών μεθόδων (CFD). Η χρήση του CFD γίνεται όλο και συχνότερη, καθώς μπορεί να οδηγήσει σε μία ρεαλιστική προσομοίωση της πραγματικής λειτουργίας της μηχανής. Επιπλέον, το CFD μπορεί να παρέχει πληροφορίες σχετικά με την κατανομή θερμοδυναμικών μεγεθών σε ένα χώρο της μηχανής, να δείξει τη ροή του αερίου και να δώσει πληροφορίες σχετικά με την επίδραση της γεωμετρίας της μηχανής. Αυτά είναι ευρήματα που δεν μπορούν να προκύψουν από τα ευρέως χρησιμοποιούμενα μονοδιάστατα μοντέλα. Η προσομοίωση της μηχανής με χρήση CFD στην παρούσα εργασία γίνεται με τη χρήση του προγράμματος ANSYS Fluent. Τα τρία πρώτα κεφάλαια της εργασίας αποτελούν έναν οδηγό για τη χρήση του ANSYS Fluent. Ο στόχος τους είναι να γίνει κατανοητή η χρήση του προγράμματος από τον αναγνώστη, αλλά και να βοηθηθεί ο μελλοντικός πιθανός χρήστης το προγράμματος. Στο Κεφάλαιο 1 περιγράφεται η γεωμετρία της μηχανής Stirling που μελετάται στην εργασία. Δίνονται αναλυτικά στοιχεία σχετικά με τη διάταξη των χώρων της μηχανής, την μεταβολή του όγκου και τους όγκους των εναλλακτών θερμότητας της μηχανής. Στο Κεφάλαιο 2, περιγράφεται ο τρόπος δημιουργίας του υπολογιστικού πλέγματος. Περιγράφονται οι βασικές μέθοδοι επεξεργασίας του πλέγματος, με παράλληλη εφαρμογή στη σχεδιασμένη μηχανή. Δημιουργούνται επίσης έξι διαφορετικά υπολογιστικά πλέγματα, τα οποία θα χρησιμοποιηθούν στη συνέχεια σε ισάριθμες προσομοιώσεις. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφεται ο τρόπος με τον οποίον δηλώνονται όλες οι παράμετροι της προσομοίωσης. Αυτές περιλαμβάνουν δεδομένα όπως το μοντέλο που θα χρησιμοποιηθεί στην προσομοίωση, οι θερμοκρασίες στους χώρους και τις επιφάνειες της μηχανής, η κίνηση των εμβόλων και άλλα. Αναλύεται επίσης ο τρόπος εξαγωγής των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης προς το χρήστη. Ο δεύτερος στόχος της εργασίας είναι η μελέτη της επίδρασης διαφορετικών υπολογιστικών πλεγμάτων στην προσομοίωση της μηχανής. Θεωρητικά, ένα πλέγμα που αποτελείται από περισσότερα στοιχεία οδηγεί σε πιο ακριβή αποτελέσματα αλλά απαιτεί περισσότερο υπολογιστικό χρόνο ανά κύκλο λειτουργίας της μηχανής. Ο σχεδιασμός ενός κατάλληλου πλέγματος αποτελεί πάντα ένα αντικείμενο έρευνας. Στο πρώτο τμήμα του κεφαλαίου, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης με χρήση του αρχικά σχεδιασμένου πλέγματος. Στη συνέχεια, δοκιμάζονται τρία πυκνότερα και τρία αραιώτερα πλέγματα. Η κάθε προσομοίωση διήρκεσε δέκα (10) κύκλους λειτουργίας. Το βασικό συμπέρασμα που προκύπτει από τη σύγκριση των αποτελεσμάτων που προκύπτουν από τα διάφορα πλέγματα που δοκιμάσθηκαν στο κεφάλαιο 4 είναι πως η πύκνωση ή η αραίωση του πλέγματος είναι προτιμότερο να επιτευχθούν με την αλλαγή γενικών παραμέτρων και όχι με την τοπική επεξεργασία του πλέγματος. Η μεταβολή των αποτελεσμάτων σε σχέση με το αρχικό πλέγμα ήταν μικρή, και για πυκνότερο και για αραιώτερο πλέγμα. Για πυκνότερο πλέγμα σημειώθηκε ταχύτερη σύγκλιση, όμως η προσομοίωση κάθε κύκλου χρειάσθηκε περισσότερο υπολογιστικό χρόνο. Λόγω του ότι τα δύο αυτά ευρήματα είναι αντικρουόμενα, για να εξαχθεί ένα τελικό συμπέρασμα πρέπει να συνεχισθεί η προσομοίωση και να επιτευχθεί οριστική σύγκλιση. Από την άλλη, η χρήση αραιώτερου v πλέγματος οδήγησε και αυτή σε ικανοποιητική σύγκλιση, ενώ ο απαιτούμενος χρόνος για την προσομοίωση ενός (1) κύκλου μειώθηκε. Συνίσταται λοιπόν η χρήση αραιώτερου υπολογιστικού πλέγματος, καθώς συνδυάζει μικρότερο απαιτούμενο υπολογιστικό χρόνο, ικανοποιητική σύγκλιση και σχεδόν ταυτόσημα αποτελέσματα σε σχέση με το αρχικό υπολογιστικό πλέγμα.