Simulation dynamique d’un moteur : cas du Stirling de type gamma

Dynamic simulation of an engine: gamma-type Stirling case

¹ Laboratoire d'Énergétique et d'Économie d'Énergie, 50 rue de Sèvres, 92410 Ville d'Avray, France
² Laboratoire LEEVAM, Univ. Cergy, 5 mail Gay Lussac, 95031 Neuville sur Oise, France

Reçu : 12 Juin 2008

Résumé

La modélisation et la simulation numérique^a permettent une exploration des différents paramètres de contrôles afin d’identifier les conditions et géométries optimales de fonctionnement des systèmes. Cette approche permet entre autre d’obtenir les valeurs instantanées des grandeurs physiques locales. Ces outils numériques progressent et traitent des systèmes de plus en plus complexes confortés par la progression des puissances des ordinateurs. Nous décrirons dans le présent travail le cas de moteurs alternatifs de type Stirling, à combustion externe et régénération. Ces moteurs constituent une solution pour la conversion efficace des énergies renouvelables et des chaleurs perdues en travail. La simulation de tels systèmes en régime établi permettra d’en déduire les énergies échangées et de démontrer que ces moteurs offrent un bon rendement de fonctionnement, tout en présentant une grande souplesse d’adaptation. L’optimisation des machines est fortement liée à leurs paramètres géométriques et physiques (dimensions, matériaux, coefficient de transfert de chaleur, etc.) ce qui peut engendrer un coût important pour les différents prototypes. La simulation numérique permettra la prédiction du cycle au cours du temps et donnera accès aux valeurs du travail ainsi que le rendement de la machine simulée. Cette démarche identifiera les zones de fonctionnements optimaux et réduira le nombre de prototypes et du même coup le coût du projet. La modélisation s’appuie sur la résolution des équations de conservation d’écoulements compressibles anisothermes dans un moteur LTD en domaine bidimensionnel (2D, moteur supposé axisymétrique afin de faciliter l’illustration). En guise de validation l’un des résultats obtenus numériquement est confronté aux résultats expérimentaux obtenus sur un prototype moteur de démonstration. Le bon accord constaté sur le cycle p-V illustre l’intérêt méthodologique.

Abstract

Modelling and numerical simulation allow^b the exploration of the different controlling parameters in order to identify the optimal working conditions. This numerical approach permits also to quantify instantaneous and local physical fields. These numerical tools are now resolving more and more complex systems with the help of the computer power increases. We describe in the present study the reciprocating thermal engine of Stirling type, with its varied external heat sources and efficiency improving regenerator. These engines are an alternate solution to be taken into account for an efficient conversion of renewable energies into work. For this use, a good operating efficiency and a great versatility are two qualities that distinguish this engine. Moreover, it is able of running at low temperature differential (LTD) which is especially attractive for low level heat recovery. The optimisation of such machine is strongly dependent of geometrical and physical parameters such as dimensions, heat transfer coefficients, heat source temperatures, regenerator characteristics. Such approach permits to get the instantaneous values of several local physical variables during established regime (pressure, temperature, speed and volume). The energy balance and the efficiencies are deduced. The approach is based on the numerical resolution of the compressible anisothermal fluid flow in an axisymetrical (2D) engine. As validation process, the obtained numerical results are compared with the available experimental results that we got on LTD Stirling engine prototype. The observed good agreement on the P-V cycle illustrates the interest of the presented methodology.