内可逆工质恒比热Meletis-Georgiou循环有限时间热力学建模与性能优化

两端 的外壳 构成 。
Ｓ
图 ２ ＭＧ循 环 模 型 Ｔ— 图 ｓ
图 １ ＭＧ发动机横 截面
图 ｌ 所示气 室 Ｖ ａ 是定 子 和转 子所构 成 的最
大 空间 。转 子转 动 时 ， 板 插 入并 与 转 子 接 触 。 隔 进入 的隔板将 Ｖ 分 隔成 图 １ 示 的两气室 。定 ｂ所
Ｌ Ｕ ａ ｇ ， Ｃ Ｉ Ｃｈ ｎ ＨＥＮ ｉ ｇｅ Ｌ ｎ— ｎ，ＳＵＮ ｎ ｒ ｉ Ｆｅ ｇ—ｕ
（ ｌ ｇ ｆ ａ ａ Ａｒｈ ｅ ｔ ｒ ｎ ｏ ｒ ａ ａ Ｕ ｉ ｒｉ ｆ ｎ ｉ ｅ ｉｇ Ｗ ｕ ａ ３ ０ ３ Ｃ ｉ ） Ｃｏｌ ｅ ｏ ｖ ｌ ｃ ｉ ｃｕｅ ａ ｄ Ｐ ｗｅ ，Ｎ ｖ ｌ ｎ ｅ ｓ ｙ ｏ ｇｎ ｒ ， ｅ Ｎ ｔ ｖ ｔ Ｅ ｅ ｎ ｈ ｎ４ ０ ３ ， ｈｎ ａ Ａｂ ｔ ａ ｔ Ａ ｎ ｏｅｅｓ ｌ Ｍｅ ｔ ． ｅ ｒｉ Ｍ ｓｒ ｃ ： ｎｅ ｄ ｒｖｒｉ ｅ ｌ ｉ Ｇ ｏｇ ｕ（ Ｇ）ｃｃｅｍ ｄ ｌ ｉ ｏ ｓ ｎ ｓ ｅ ｉｃｈ ａ ｏ ｏｋｎ ｕｄ ｈ ｓ ｂ ｅｓ ｏ ｙ ｌ ｏ ｅ ｗ ｔ ｃ ｎｔ ｔ ｐ ｃ ｅ ｔ ｆ ｒｉｇｆ ｉ ａ ｈ ａ ｉ ｆ ｗ ｌ
ｂ ｅ ｅｓａ ｌｓ ｅ ａ ｄ ｈｅ ｎ ｌ ｔ ａ ｆｒ ｕ ａ ｏ ｐ ｒｏ ｍａ ｅ ａ ａ ｔｒ ｉ ｃｕｄｎｇ ａ ｈ ｏｎｔ ｅ ｅ ａｕｒ ， ｗｏ ｋ ｅｎ ｔｂ ｉｈ ｄ ｎ ｔ ａ ａ ｙｉ ｌ ｏｍ ｌｅ ｆ ｅ ｒ ｎｃ ｐ ｒ ｍｅｅ ｓ ｎ ｌ ｉ ｅ ｃ ｐ ｉ ｔｍｐ ｒ ｔ ｅｓ ｃ ｆ ｒ ｏ ｔ ｔａ ｄ ｅｆｃｅ ｃ ｒ ｅ ｉ ｅ ｙ ｕｓｎ ｈｅ ｆｎｔ ｉ ｈ ｒ ｄ ｎ ｕｐｕ ｎ ｆ ｉｎ ｙ ａ ｅ ｄ ｒｖ ｄ ｂ ｉ ｇ ｔ ｉｅ ｔｍｅ ｔ ｅ ｍｏ ｙ ａｍｉ ｈ ｏｙ． Ｔｈ ｒｏ ｍａ ｃ ｆｔ ｅ Ｍ Ｇ ｙ ｌ ｓ ｉ ｉ ｃｔｅ ｒ ｅ ｐｅｆ ｒ ｎ ｅ ｏ ｈ ｃ ｃ ｅ ｉ ａ ａ ｙ ｅ ｎ ｐｔｍｉｅ ｎ ｌ ｚ ｄ ａ ｄ ｏ ｉ ｚ ｄ．Ｔｈｅ ｒｌ ｔ ｎ ｂ ｔ ｅ ｒ ｕ ｐ ｎ ｆ ｃｅ ｙ ｉ ｂ ａｎ ｄ ｂｙ ｄ ｔｉｅ ｍｅ ｃ ｌｅ ａ ｅａｉ ｅｗｅ ｎ ｗｏ ｋ ｏ ｔ ｕｔａ ｄ ｅｆ ｉｎｃ ｓｏ ｔ ｉｅ ｅａｌ ｄ ｎｕ ｒ ａ ｘ ｍｐｌｓ ｏ ｉ ｉ ｅ．
刘 畅， 陈林根 ， 丰瑞 孙
（ 军 工程 大 学 船 舶 与 动 力 学 院 Biblioteka Baidu 汉 ４ ０ ３ ） 海 武 ３ ０ ３
摘 要 ： 用有 限 时 间 热 力 学理 论 建 立 内可 逆 工 质 恒 比 热 Ｍｅ ｔ — ｅｒ ｏ （ 应 ｌ ｉ Ｇ ｏｇ ｕ ＭＧ） 环 模 型 ， 出循 环 各 点 温 ｅｓ ｉ 循 导
（ 当 ： 时 ） 压缩 室容 积从 Ｖ ＝ ＋ ＋ ， ｃ △ 被压 缩到 ＝ ＝ 。 图 ２和 ３给 出 了 Ｍ Ｇ循 环 Ｔ—ｓ图 和 Ｐ— 图 。其 中 ， 程 １—２和 ３— 过 ４为 绝 热 压 缩 ， 程 过
２—３ 为膨 胀室 内一部分 气体 （ ） △ 和燃烧 室 （ 。 ） 内的气体 与压缩 室 内气体混 合 ， 过程 ４— ５为定 容 燃烧， 过程 ５—６和 ７—８为绝 热 膨 胀 ， 程 ６— 过 ７ 为 膨胀室 内气 体被 分 离 ， 体 的压 力 、 度 不 变 ， 气 温
自有 限时 问热力 学 。 用 于 实 际热 机 的性 能 分 析和优 化 以来 ， 得 了一 系列成 果 。近年 来 ， 取 对
性 ；ａｉ Ｓｈｎ等 和 Ａ．ａｋｉ １ ｒｈ 等 分 别 在 不 计 任 何 Ｓ
损失 的前 提 下 研 究 了 Ｄ ａ、 ｌ ｒ 环 的功 率 密 ｕ ｌＭｉｅ 循 ｌ
内燃 机循 环 的有 限时 间热力学 分 析也取 得 了一 系 列 研究 成 果 。Ｋ ｅ 【 考 虑 传 热 损 失 的情 况 下 ｌｎ ｉ 在
研 究 了 Ｏ ｔ、 ｉ ｅ 循 环 功 与 压缩 比 的关 系 ， 分 ｔ Ｄｅ ｌ ｏ ｓ 并
度优 化 ； １ ｉｔ等 。改变 传热 模 型 ， Ａ一 ｎｉ Ｈ 。 研究 了不 同
１ 循 环 模 型
两叶轮 转子 ＭＧ发 动 机 的简 图 ¨ 如 图 １所
示 。它包括 圆 盘状 的定 子 外 壳 和 内部 转 动 的 转
体积 、 质量减 小 ， 程 ８— 过 ９为定容 放 热 ， 程９—１ 过
为定压 放热 。
子 。转 子转动 时 ， 动 机 内腔 形 成进 气 室 Ｖ 压 发 缩 室 Ｖ 膨胀室 Ｖ 、 排气 室 Ｖ 等 气室 ， 这些气 室 由转子外 表面 、 子 内表面 、 定 可径 向移 动 的隔板 和
ｃｍｂ ｓｏ ｈｍ ｅ） 工 质 在 燃烧 室 经 历 定 容 燃 ｏ ｕｔ ｎｃ ａ ｂ ｒ ， ｉ 烧 过程 ； 转子继 续转 动 ， 工质 充人膨 胀室并 对转 子
Ｐ
子外壳上 另嵌 有 一 个 气 室 ， 为 燃 烧 室 Ｖ 称
一
隔
板 １ ２对称 分 布在 燃 烧 室两 边 ， 、 在任 意 时刻 只有 个进入 发动 机并 与转 子 接触 ， 一个 呈 抬 起状 另
图 ３ ＭＧ循 环模 型 Ｐ — Ｖ图 ５ ］
态 。进入 发动机 的隔板 将原 图 １ ａ中左侧 Ｖ 分 隔 成压 缩 室 Ｖ 和膨胀 室 Ｖ 两 部 分 。隔 板 ３将 右 侧Ｖ 分成进气 室 Ｖ 排气 室 Ｖ Ｘ 部分 ， 们分 Ｅ两 它 别通过 进 、 气 口与大气相 连 。最 初 ， 子封住 联 排 转 通发动 机 内腔 和燃烧 室 的通 道 （ ｏｔｅｄｎ ｅ Ｐ ｒ ｌａｉｇｔ ｔ ｏｈ
传 热模 型时 Ｄｅｅ 循 环 的性 能 。 ｉ ｌ ｓ 转 子发 动 机 虽 然 不 如 往 复 式 内燃 机 使 用 广
析 了传 热损失 对循 环功 及其 相应 的最 优压 缩 比 的 影 响 ； ｌ ｋ和 Ｗｕ５研究 了 内可逆 Ｏｔ 环功 率 Ｂａ ｎ ｔ ｏ循
和平均 有效 压 力 优化 的问 题 ； 林 根等 导 出 了存 陈
排气 再 循 环 （ Ｇ 过 程 ， 采 用 压 燃 方 式 。 Ｅ Ｒ） 可 Ｇ ｏｇ ｕ ｅ ｒｉ ｏ 在不计 任何 损失 的情 况下 对 Ｍ Ｇ循 环进 行 了经典 热 力 学分 析 。本 文 将 在 文 献 ［ ５ １］
的基础 上 ， 建立 考虑传 热损失 的 内可逆循环 模 型 ， 并 对循环 性能进 行分 析和优化 。
泛 ， 随着 内燃 机 技 术 的发 展 ， 的 发 明不 断 产 但 新
生 ¨ ｊ 卜 。其 中 ， ｌｔ 和 Ｇ ｏｇｏ 出 了一种新 Ｍｅ ｉ ｅｓ ｅｒｉ ｕ提 的转子 发动 机概念 并取 得 专利 。 ， 发动 机 采用 。 该 辐 向对 称 的转 子结 构 使 运 行 更加 平 稳 ； 同时 引入
析 了传 热损 失及 循 环 各 参 数 对循 环 性 能 与优 化 结 果 的 影 响 。所 得 结 果 对 实 际 ＭＧ发 动 机 的设 计 优 化 有 一 定
指导作 用。
关 键 词 ： 限 时 间 热 力 学 ； ｌ ｉ Ｇ ｏｇ ｕ循 环 ； 能 分 析优 化 有 Ｍｅ ｔ— ｅｒｉ ｅｓ ｏ 性 中 图分 类 号 ： Ｋ ２ Ｔ Ｉ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ ２— ５ ９ ２ １ ）２一 ｌ５— ６ １７ ５ ４ （０ １Ｏ ｏ １ ０
第４ ０卷 第 ２期 ２１ ０ １年 ６月
热 力 透 平
ＴＨＥＲＭＡＬ ＴＵＲＢＩ ＮＥ
Ｖｏ ． ０ Ｎｏ ２ １４ ． Ｊ ．２ １ ｕｎ ０ １
内 可 逆 工 质 恒 比 热 ｅｅｉ－ ｏ ｇｏ 环 有 限 时 间 Ｍ ｌｔ ・ ｒ ｉｕ 循 ｓＧｅ
热 力 学 建模 与性 能 优 化
度、 循环 功、 效率等性能参数表达式 ， 并对 ＭＧ循环性能进行 分析和优 化。应 用数值 计算 方法 ， 到循环功 与 得
效 率 特 性 关 系 ； 别 以循 环 功和 效 率 为 目标 ， 压 缩 比、 分 对 转换 比 、 膨 胀 比进 行 优 化 并 得 到 一 系列优 化 结 果 ； 过 分
作 者 简 介 ： 畅 （ ９ ７一） 男 ， 士 研究 生 ， 刘 １８ ， 硕 主要 从 事 能 源 利 用 与 能 量 转 换 理 论及 装 置 的研 究 。
￥Ｉ 圜 Ｉ １
第 ２期
内可 逆 工 质 恒 比 热 Ｍｅ ｔ— ｅｒ ｏ 环 有 限 时 间 热力 学建 模 与 性 能 优 化 ｌ ｉＧ ｏｇ ｕ循 ｅｓ ｉ
Ｆｉ ｉｅ Ｔｉ ｅ Ｔｈｅ ｍ ｏ ｎａ ｉ ｏ ｅｉ ｇ ａ ｄ Ｏｐｔｍ ｉａ ｉ ｎ ｏ ｄｏ ｅ ｅ ｓｂｌ ｎｔ － ｍ ｒ ｄｙ ｍ ｃ Ｍ ｄ ｌｎ ｎ ｉ ｚ ｔｏ ｆＥｎ ｒ ｖ ｒ ｉ ｅ Ｍ ｅｅ ｉ－ ｏ ｇ ｏ ｃｅ ｗｉｈ Ｃｏ ｓａ ｔＳ ｃｆｃ Ｈ ｅ ｔｏ ｏ ｋ ｎｇ Ｆｌ ｄ ｌｔｓ Ｇｅ ｒ ｉ ｕ Ｃｙ ｌ ｔ ｎ ｔ ｎ ｐｅ ｉ ａ ｆＷ ｒ ｉ ｕｉ ｉ
在传热 损失 时 Ｏｔ ６、 ｉ ｅ 循 环 的功率 效率 特 ｔ ｊ Ｄｅ ｌ ｏ ｓ
收 稿 日期 ：０ ０—１ ２１ ２—２ ５
基金 项 目 ： 国家 自然 科 学基 金 （０ ０ ０ ３ ； 育 部 新 世 纪优 秀 人才 支 持 计 划 项 目 （ Ｃ Ｔ一０ １９ ５ ９ ） 教 Ｎ Ｅ ４—１０ ） 全 国 优 秀 博 士 学 位 论 文 作 者 专 项 ０６ ； 资 金 资 助 项 目（ ０ １６ ２０ ３ ）
Ｔｋｎ ｅ ｗ ｒ ｕｐ ｔａｄ ｅｆｉｎｙ ａ ｏｊｃｉ ｓ ｅ ｅ ｆｏｔ ａ ｒｓｌ ｒ ｏ ｔｎ ｄ ｂ ｐｉｉ ｎ ｈ ａ ｉ ｔ ｏｋ ｏ ｔ ｎ ｆｃ ｃ ｓ ｂ ｔ ｅ ，ａｓｒ ｓｏ ｐｉ ｌ ｅｕｔ ａｅ ｂ ｉｅ ｙ ｏｔ ｚ ｇ ｔ ｇｈ ｕ ｉｅ ｅ ｖ ｉ ｍ ｓ ａ ｍ ｉ ｅ
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ｐ ｒ ｍｅ ｅｓ ｏ ｈ ｙ ｌ ｒｏ ｍａ ｃ ｎ ｐｔ ｉａｉｎ ａ ｅ ａ ａｙ ｅ Ｔｈ ｅ ｕ ｔ ａ ｏ ｉ ｅ ｇ ｄｅｉ ｓｆ ｒｔｅ ｏ ｔｍａ ａ ａ ｔｒ ｎ ｔ ｅ ｃ ｃ ｅｐｅ ｒ ｎ ｅ ａ ｄ ｏ ｉ ｚ ｔｏ ｒ ｎ ｌｚ ｄ． ｆ ｍ ｅ ｒ ｓ ｌｓｍ ｙ ｐｒｖ ｄ ｕｉ ｌｎｅ ｏ ｈ ｐ ｉ ｌ ｄｅ ｉｎ ｏ ａ ｔｃ ｌＭＧ ｎｇｎ ｓｇ ｆｐｒｃ ｉａ ｅ ｉ ｅ． Ｋ ｅ ｒ ｆｎｔ ｉ ｈ ｒ ｄ ｎａ ｃ ｙ ｗｏ ｄｓ： ｉ ｉｅ ｔｍｅ ｔ ｅ ｍｏ ｙ ｍｉｓ；Ｍ ｅｅ ｉ— ｏｇ ｏ ｙ ｌ ｌｔｓ Ｇｅ ｒ ｉｕ ｃ ｃｅ；ｐ ｒｏ ａ ｅ ａ ｌｓｓａ ｐ ｉ ｚ ｔｏ ｅ ｆｒ ｎｃ ｎａｙ ｉ ｎｄ ｏ ｔｍｉａ ｉｎ ｍ