CFD modeling of a Beta-type Stirling machine

In the present work CFD is applied to the simulation of a Stirling device. As preliminary step, in order to model the specific features of the machine, ad-hoc sub-models were implemented on the basis of the open-source software OpenFOAM. Then, simulation were run for the case of a small $300$ cc Beta Stirling configuration, installed at the laboratory TEMPO (University of Valenciennes, France) and instrumented with thermocouples and pressure transducers. The computational model of this engine was validated both on global quantities, such as the power and heat transferred to the cold sink in a cycle, and on local measurement of temperature in the machine. Once validated, the model was applied in order to perform a parametric study involving different aspects related to the machine: mean cycle operating pressure, amount of heat introduced in the machine, regenerator properties and working fluid. Finally, by means of a comparison with an ideal case, the losses related to the real behavior of the engine components were investigated, in particular: fluid-dynamics losses in the regenerator, non-isothermal heat exchangers and non-ideal law for the variation of the volumes of the cold and hot spaces.

Nel presente lavoro l'analisi CFD è stata applicata ad un motore Stirling. Al fine di modellare le caratteristiche specifiche della macchina, appositi sotto-modelli sono stati implementati sulla base del codice open-source OpenFOAM.
Numerose simulazioni sono state svolte su di un piccolo motore Stirling di $300 cc$ in configurazione Beta, installato presso il laboratorio TEMPO (Università di Valenciennes, Francia) e strumentato con termocoppie e trasduttori di pressione. Il modello computazionale è stato validato su questo motore sia in termini di quantità globali, quali la potenza prodotta e calore rimosso dal sistema di raffreddamento, sia su misure locali di temperatura nel dispositivo. Una volta validato, il modello CFD è stato utilizzato per effettuare uno studio parametrico dei vari fattori che influenzano il comportamento della macchina, tra cui la pressione media di esercizio ciclo, la quantità di calore introdotto, le proprietà termofisiche del rigeneratore e le caratteristiche del fluido di lavoro.
Infine, attraverso il confronto con un caso ideale, è stato possibile analizzare le perdite relative al comportamento reale dei componenti del motore, come le perdite fluidodinamiche nel rigeneratore, le perdite connesse a scambiatori non isotermi, e l'effetto di una legge di variazione dei volumi di lavoro non ideale.