مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بهینه سازی چند هدفه توان خروجی و پایداری یک نمونه موتور استرلینگ پیستون آزاد با استفاده از الگوریتم ژنتیک

نویسندگان
میثم الیاسی 1
وحید فخاری 2
پدرام صفرپور 3
1 مهندسی مکانیک،دانشجوی کارشناسی ارشد،دانشگاه شهید بهشتی،تهران،ایران
2 استادیار دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی
3 دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی،پردیس فنی مهندسی عباسپور،دانشگاه شهید بهشتی
چکیده
امروزه با افزایش مصرف سرانه منابع انرژی های تجدید ناپذیر، دانشمندان به دنبال جایگزین مناسب برای منابع تجدید ناپذیر رو به اتمام هستند. موتور استرلینگ از جمله ایده هایی است که اخیراً مورد توجه مهندسان قرار گرفته است. هدف از مطالعه حاضر، بهینه سازی توان خروجی و پایداری یک نمونه موتور استرلینگ پیستون آزاد نوع بتا است. به همین منظور ابتدا با استخراج روابط ترمودینامیکی و دینامیکی سیستم و ترکیب این معادلات، معادلات حاکم شامل تابع غیرخطی از افت فشار درون مبدل های حرارتی به دست می آیند. معادلات غیرخطی حاکم حل شده و برای اعتبار سنجی، نتایج حاصل از شبیه سازی مطالعه حاضر با نتایج آزمایشگاهی و شبیه سازی ارائه شده در مراجع معتبر علمی مقایسه می گردند. در موتورهای استرلینگ پیستون آزاد، افزایش توان خروجی با حفظ پایداری آن ها، حائز اهمیت است. بنابراین، با انجام مطالعه پارامتری، پارامترهایی که دارای بیشترین تأثیر بر توان خروجی و پایداری موتور هستند، شناسایی شده و به عنوان متغیرهای بهینه سازی در نظر گرفته می شوند. به منظور بهینه سازی چند هدفه توان خروجی و پایداری موتور استرلینگ پیستون آزاد، تابع هدف مناسب انتخاب شده و از یکی از روش های الگوریتم ژنتیک با استفاده از نرم افزار بهینه سازی مود فرانتیر استفاده می شود. در نهایت، مقادیر متغیرها، قبل و بعد از بهینه سازی و همچنین میزان بهبود حاصل در توان خروجی و پایداری موتور استرلینگ پیستون آزاد ارائه می گردند.
کلیدواژه‌ها
موتور استرلینگ پیستون آزاد
توان خروجی
پایداری
الگوریتم ژنتیک
بهینه سازی چند هدفه

موضوعات

عنوان مقاله English

Multi-objective optimization of output power and stability of a free-piston Stirling engine using genetic algorithm

نویسندگان English

Meysam Elyasi 1
Vahid Fakhari 2
Pedram Safarpour 3
1 Mechanical engineering,Masters student,Shahid Beheshti University,Tehran,Iran
2 Assistant Professor, Faculty of Mechanical and Energy Engineering, Shahid Beheshti University
3 Faculty of Mechanical and Energy Engineering, A. C., Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
چکیده English

Today, with increasing consumption of non-renewable energy sources, scientists are looking for an alternative for these resources. The Stirling engine is one of the ideas that have recently attracted engineers' attention. The purpose of this study is to optimize the output power and stability of a beta type free-piston Stirling engine. In this regard, at first by deriving the thermodynamic and dynamic equations of the system and combining them, the governing equations are obtained including the nonlinear function of the pressure loss in heat exchangers. The governing nonlinear equations are solved and for the purpose of validation, simulation results obtained in this study are compared with experimental and simulation results presented in the literature. In free-piston Stirling engines, increasing the output power by keeping their stability is very important. Therefore, by performing parametric study, the parameters with more effects on the output power and stability are determined and considered as optimization variables. In order to perform multi-objective optimization of output power and stability of the free-piston Stirling engine, a proper objective function is selected and one of the methods in genetic algorithm is employed using optimization software Modefrontier. Finally, values of variables, before and after optimization and also, percentage of improvements in output power and stability of the free-piston Stirling engine are presented.

کلیدواژه‌ها English

Free-Piston Stirling Engine
output power
Stability
genetic algorithm
multi-objective optimization
[1] G. Walker, J. R. Senft, Free-piston Stirling engines, in Free piston stirling engines: Springer, pp. 23-99, 1985.
[2] E. Rogdakis, G. Antonakos, I. P. Koronaki, Influence of a Regenerator on Stirling Engine Performance, Journal of Energy Engineering, vol. 142, no. 2, p. E4016002, 2016.
[3] S. Kwankaomeng, B. Silpsakoolsook, P. Savangvong, Investigation on Stability and Performance of a Free-piston Stirling Engine, Energy Procedia, vol. 52, no. Supplement C, pp. 598-609, 2014.
[4] S. Kwankaomeng, P. Promvonge, Investigation on A Free-Piston Stirling Engine and Pneumatic Output, in The First TSME International Conference on Mechanical Engineering, pp. 20-22, 2010.
[5] A. Der Minassians, S. R. Sanders, Multiphase stirling engines, Journal of Solar Energy Engineering, vol. 131, no. 2, p. 021013, 2009.
[6] N. Ulusoy, Dynamic analysis of free piston Stirling engines, Case Western Reserve University, 1994.
[7] H. Karabulut, Dynamic analysis of a free piston Stirling engine working with closed and open thermodynamic cycles, Renewable Energy, vol. 36, no. 6, pp. 1704-1709, 2011.
[8] M. D. Kankam, J. S. Rauch, Comparative survey of dynamic analyses of free-piston Stirling engines, National Aeronautics and Space Administration, Cleveland, OH (United States). Lewis Research Center1994.
[9] F. Choudhary, Dynamics of free piston Stirling engines. University of Maryland, College Park, 2009.
[10] R. Redlich, D. Berchowitz, Linear dynamics of free-piston Stirling engines, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Power and process engineering, vol. 199, no. 3, pp. 203-213, 1985.
[11] S. Bégot, G. Layes, F. Lanzetta, P. Nika, Stability analysis of free piston Stirling engines, The European Physical Journal-Applied Physics, vol. 61, no. 3, 2013.
[12] F. Choudhary, B. Balachandran, Hopf instabilities in free piston Stirling engines, Journal of Computational and Nonlinear Dynamics, vol. 9, no. 2, p. 021003, 2014.
[13] H. Bahrman, A. Tavakolpour-Saleh, Investigation of the effect of changes in displacer frequency on the power piston stroke of a hot-air free-active piston engine, First International Conference on New Médeccanics, Mechateronic & Biomechanic, 2016. (in Persian فارسی)
[14] S. Zare and S. A. Tavakolpour, Nonlinear dynamic analysis of solar free piston hot-air engine, Modares Mechanical Engineering, Vol. 15, No. 9, pp. 223-234, 2015 .(in Persianفارسی )
[15] H.-S. Yang, C.-H. Cheng, A Nonlinear Non-dimensional Dynamic Model for Free Piston Thermal-lag Stirling Engine, Energy Procedia, vol. 61, pp. 2662-2665, 2014.
[16] J. Mou, G. Hong, Startup mechanism and power distribution of free piston Stirling engine, Energy, vol. 123, pp. 655-663, 2017.
[17] A. Tavakolpour-Saleh, S. Zare, H. Bahreman, "A novel active free piston Stirling engine: Modeling, development, and experiment," Applied Energy, vol. 199, pp. 400-415, 2017.
[18] J. Mou, G. Hong, Multi-objective optimization and design for free piston Stirling engines based on the dimensionless power, in IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017, vol. 171, no. 1, p. 012097: IOP Publishing.
[19] A. Najafi Amel, Sh. Kouravand, P. Zarafshan, A. Mashaallah Kermani, M. Khashehchi, Optimization of Alpha Type Stirling Engine Phase Angle with Step-By-Step Simulation Method, Modares Mechanical Engineering, Vol. 17, No. 10, pp. 341-349, 2017 .(in Persianفارسی )
[20] A. Tavakolpour-Saleh, S. Zare, H. Badjian, Multi-objective Optimization of Stirling Heat Engine Using Gray Wolf Optimization Algorithm, International Journal of Engineering-Transactions C: Aspects, vol. 30, no. 6, p. 895, 2017 .
[21] M. H. Briggs, Improving Free-Piston Stirling Engine Power Density, 2016.
[22] N. A. Khripach, D. A. Ivanov, L. Y. Lezhnev, F. A. Shustrov, Calculation Studies Of A Free-Piston Stirling Engine, 2017.
[23] I. Urieli, D. M. Berchowitz, Stirling cycle engine analysis. Taylor & Francis, 1984.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 18، شماره 6
مهر 1397
صفحه 20-29