Разработка программного комплекса BS-STIRLING 5.0 для моделирования рабочих процессов в двигателях Стирлинга

В статье представлена разработка программного комплекса BS‑STIRLING 5.0, предназначенного для вычислительного моделирования рабочих процессов в двигателях Стирлинга. Новая версия, выполненная на основе методологической базы BS-STIRLING 4.2, включает ряд существенных усовершенствований, направленных на повышение физической детализации и точности расчетов при сохранении высокой вычислительной эффективности, характерной для методик второго уровня. Ключевым нововведением является переход от функциональной схемы представления двигателя к дискретизации внутреннего контура на 44 расчетных объема, что позволяет анализировать локальные термодинамические, гидродинамические и теплопередающие процессы в течение рабочего цикла. Дополнительные улучшения включают глобально связанную итерационную схему, явное моделирование теплообмена в цилиндрах, обновленные корреляции для колебательных потоков при низких числах Рейнольдса, модель теплопередачи с учетом температурных градиентов стенок, а также введение двух новых входных параметров: температуры регулирования по адиабате в горячем и холодном цилиндрах. Эти изменения существенно повышают точность расчета индикаторных диаграмм, тепловых потерь и эффективных параметров цикла. Валидация на экспериментальных данных 29 двигателей Стирлинга различных типов показала, что расхождение между расчетными и экспериментальными значениями эффективной мощности и КПД не превышает 5 %. Средняя ошибка в прогнозировании мощности снижена с 5,2 % до 4,9 %, а ошибка по КПД — с 13,6 % до 4,1 % по сравнению с версией 4.2. Программный комплекс обладает удобным графическим интерфейсом, низким временем расчета и широкими возможностями визуализации, что делает BS-STIRLING 5.0 эффективным инструментом для инженерных расчетов, научных исследований и образовательных целей.

1. Tew R. C. Overview of heat transfer and fluid flow problem areas encountered in Stirling engine modeling / R. C. Tew. Cleveland, Ohio: NASA Technical Memorandum, 1988. — 23 p.

2. Ридер Г. Двигатели Стирлинга / Г. Ридер, Ч. Хупер. М.: Энергия, 1986. 464 с.

3. Finkelstein T. Air Engines. The History, Science and Reality of the Perfect Engine / T. Finkelstein, A. J. Organ. New York: ASME Press, 2001. — 288 p.

4. Chen N. C. J. A review of Stirling engine Mathematical Models / N. C. J. Chen, F. P. Griffin. Virginia: Springfield, 1983. — 43 p.

5. Qvale E. R. An Analytical Model of Stirling-Type Engines: PhD diss / E. R. Qvale. Massachusetts: Massachusetts Institute of Technology, 1967. — 96 p.

6. Rios P. A. An Analytical and Experimental Investigation of the Stirling Cycle. Ph.D. dissertation / P. A. Rios. Massachusetts: Massachusetts Institute of Technology, 1969. — 179 p.

7. Martini W. R. Stirling Engine Design Manual. NASA CR-168088 / W. R. Martini. NASA, 1983. — 410 p.

8. Shoureshi R. Analysis and Design of Stirling Engines for Waste-Recovery: PhD diss. / R. Shoureshi. Massachusetts: Massachusetts Institute of Technology, 1981. — 361 p.

9. Snyman H. Design Analysis Methods for Stirling Engines / H. Snyman, T. M. Harms., J. M. Strauss // Journal of Energy in Southern Africa. — Vol. 19. — No. 3, Cape Town, 2008. — Pp. 4–19.

10. Mojtaba Babaelahi. Modified psvl: a second order model for thermal simulation of stirling engines based on convective – polytropic heat transfer of working spaces / Mojtaba Babaelahi, Hoseyn Sayyaadi // Applied Thermal Engineering, 85:340–355, 2015. — Pp. 340–355.

11. Godfrey T Udeh. A new non-ideal second order thermal model with additional loss effects for simulating beta Stirling engines / Godfrey T Udeh, Stavros Michailos, Derek Ingham, Kevin J Hughes, Lin Ma, Mohammed Pourkashanian // Energy Conversion and Management, 206:112493, 2020. — 22 p.

12. Finkelstein T. Thermodynamic Analysis of Stirling Engines / T. Finkelstein // Journal of Spacecraft & Rockets. 1967. — Vol. 4. Is. 9. — Pp. 1184–1189.

13. Finkelstein T. Computer Analysis of Stirling Engines / T. Finkelstein // Advances in Cryogenic Engineering. — 1975. — Vol. 20. — Pp. 269–282.

14. Urieli I. A Computer Simulation of Stirling Cycle Machines: PhD diss./ I. Urieli. South Africa, Witwatersrand: University of the Witwatersrand, 1977. — 313 p.

15. Schock A. Nodal Analysis of Stirling Cycle Devices / A. Schock // Proceedings of the 13th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, San Diego, California, August 20-25 San Diego: Society of Automotive Engineers, 1978. — Pp. 1771–1779.

16. Tew R. C. Computer Program for Stirling Engine Performance Calculations. NASA/TM-82960 / R. C. Tew. National Aeronautics and Space Administration, 1983. — 129 p.

17. Organ A. J. Thermodynamics and Gas Dynamics of the Stirling Cycle Machine / A. J. Organ. Cambridge: Cambridge University Press, 1992. — 415 p.

18. Andrew Peter Robson. Third Order Analysis of a Low Temperature Differential Ringbom-Stirling Engine / Andrew Peter Robson // Ph.D. dissertation. Napier University, Edinburgh, Scotland, 2007. — 257 p.

19. Hao Qiu. A third-order numerical model and transient characterization of a β-type Stirling engine / Hao Qiu, Kai Wang, Peifeng Yu, Mingjiang Ni, Gang Xiao // Energy. — 2021. Vol. 222. — 18 p.

20. Dyson R. W. Review of Computational Stirling Analysis Methods. NASA/TM-2004-213300 / R. W. Dyson, S. D. Wilson, R. C. Tew. Cleveland, Ohio: Glenn Research Center, 2004. — 28 p.

21. Kuban L. A 3D-CFD study of a γ-type Stirling engine / L Kuban, J. Stempka, A. Tyliszczak // Energy — 2019. — Vol. 169, 142–159. — Pp.142–159.

22. George-Rafael Domenikos. Parametric Numerical Analysis of β-Type Stirling Engine / George-Rafael Domenikos, Irene Koronaki,Theodoros Papingiotis, Panagiotis Bitsikas // Energies. — 2023. — 16(18). — 6518 — 2023. — 14 p.

23. Santiago Laín. CFD Simulation of Stirling Engines: A Review / Santiago Laín, Valentina Villamil, Juan R. Vidal // Processes. — 2024. — 12(11). — 2360. — 26 p.

24. Столяров С. П. Опыт выполнения расчетно-экспериментальных исследований машин Стирлинга с использованием программного комплекса «BS-STIRLIN» / С. П. Столяров, А. С. Столяров // Актуальные проблемы развития поршневых ДВС: материалы межотраслевой научно-технической конференции СПб.: Издательский центр СПбГМТУ, 2008. — С. 40–43.

25. Столяров С. П. Базовое уравнение математической модели элемента внутреннего контура двигателя Стирлинга с учетом процесса теплообмена / С. П. Столяров, М. Йе, А. С. Столяров // Двигателестроение. — 2024. — № 2(296). — С. 69–74. EDN AQUIAG.

26. Столяров С. П. Математическая формализация метода определения коэффициентов гидравлического сопротивления для внезапного расширения и сужения потока рабочего тела / С. П. Столяров, Йе Маунг // Естественные и технические науки. — 2026. — № 1(212). — С. 223–231. EDN XJLBUI. DOI: 10.25633/ETN.2026.01.19.

27. Столяров С. П. Модель сдвоенных гидравлических сопротивлений во внутреннем контуре двигателя Стирлинга / С. П. Столяров, Йе Маунг // Естественные и технические науки. — 2026. — № 1(212). — С. 232–239. EDN IXWPIE. DOI: 10.25633/ETN.2026.01.20.

28. Stolyarov S. P. New analytical method for Stirling engine thermodynamic cycle calculation using simplified adiabatic model / S. P. Stolyarov, A. S. Stolyarov, Ye Maung // Proceedings of the 20th International Stirling Engine Conference Neaples: Cnr Edizioni. — 2024. — Pp. 219–230. DOI: 10.48221/ISEC20-2024.

29. Столяров С. П. Метод расчета давления в цикле двигателя Стирлинга по упрощенной адиабатной методике / С. П. Столяров, А. С. Столяров, Йе Маунг // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства. — 2022. — № 68–69. — С. 122–129. EDN FGABIW.