بهينه سازي چند هدفه توان خروجي و پايداري يك نمونه موتور استرلينگ پيستون آزاد با استفاده از الگوريتم ژنتيك

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

امروزه با افزايش مصرف سرانه منابع انرژي هاي تجديد ناپذير، دانشمندان به دنبال جايگزين مناسب براي منابع تجديد ناپذير رو به اتمام هستند. موتور استرلينگ از جمله ايده هايي است كه اخيرا مورد توجه مهندسان قرار گرفته است. هدف از مطالعه حاضر، بهينه سازي توان خروجي و پايداري يك نمونه موتور استرلينگ پيستون آزاد نوع بتا است. به همين منظور ابتدا با استخراج روابط ترموديناميكي و ديناميكي سيستم و تركيب اين معادلات، معادلات حاكم شامل تابع غيرخطي از افت فشار درون مبدل هاي حرارتي به دست مي آيند. معادلات غيرخطي حاكم حل شده و براي اعتبار سنجي، نتايج حاصل از شبيه سازي مطالعه حاضر با نتايج آزمايشگاهي و شبيه سازي ارائه شده در مراجع معتبر علمي مقايسه مي گردند. در موتورهاي استرلينگ پيستون آزاد، افزايش توان خروجي با حفظ پايداري آن ها، حائز اهميت است. بنابراين، با انجام مطالعه پارامتري، پارامترهايي كه داراي بيشترين تاثير بر توان خروجي و پايداري موتور هستند، شناسايي شده و به عنوان متغيرهاي بهينه سازي در نظر گرفته مي شوند. به منظور بهينه سازي چند هدفه توان خروجي و پايداري موتور استرلينگ پيستون آزاد، تابع هدف مناسب انتخاب شده و از يكي از روش هاي الگوريتم ژنتيك با استفاده از نرم افزار بهينه سازي مود فرانتير استفاده مي شود. در نهايت، مقادير متغيرها، قبل و بعد از بهينه سازي و همچنين ميزان بهبود حاصل در توان خروجي و پايداري موتور استرلينگ پيستون آزاد ارائه مي گردند.

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.