（工程热物理专业论文）基于fluent的热声元件特性研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 热声热机是一种全新的热机技术，它遵循热声效应机理，与传统 的热机技术相比，它具有结构简单、运行可靠、寿命长、无运动部件、 无污染等诸多优点，因此，热声技术及利用已成为工程应用领域的一 个研究热点。 本文首先回顾了热声理论和技术的发展现状，然后概括介绍了热 声学的基础知识和热声现象的原理，从微热力学的角度分析了热声循 环。 由于d e l t a e 等热声专用计算软件是基于线性假设以及忽略了回 热器入口效应，因此对回热器内部的声场研究具有一定的局限性，所 以本文采用f l u e n t 数值模拟的方法对问题进行研究。 为了检验采用f l u e n t 模拟热声声场的可行性，本文首先对简单直 管进行了模拟，模拟结果与理论分布趋势相同，在此基础上又利用部 分实验数据作为进口和出口值进行模拟，所得结果在其它点与实验测 量值也符合很好，从而证实了采用f l u e n t 对热声系统的声场进行模拟 是可行的。在此基础之上，本文就两方面的问题进行了研究： 1 热声谐振管管形对声场的影响。对驻波型热声发动机的等直径 谐振管和锥形谐振管及指数管进行了初步的数值分析，并进行了模拟 计算，以探明变径管对驻波管内压力分布的影响。研究表明引入渐缩 锥管可在相同输入条件下提高系统运行的压力振幅，以满足被驱动脉 管制冷机对振幅的需要。模拟结果还表明随着锥度的增大，相同输入 情况下，声压振幅随之升高，谐振频率也进一步降低。 2 回热器流动特性初步研究。对板叠式回热器中交变流动瞬时阻 力系数进行了简单的数值分析。建立了一个二维回热器模型，借助 f l u e n t 对回热器内交变流场的压力速度分布进行了研究，并对回热器 的流动阻力系数进行了探讨计算。结果表明在热声回热器内部压力和 质点速度分布不再为驻波形态，而是沿板叠长度呈线性分布；回热器 内部的摩擦阻力系数是时间和位置的函数；回热器的进出口表现出明 显的入口效应。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 关键词：热声热机；谐振管；回热器；声场分布：流动特性 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e m o r a c o u s t i ce n g i n ei san e wt y p eo fe n g i n e i ti sb a s e do n t h e r m o a c o u s t i ce f f e c t d u et oi t ss i m p l es t r u c t u r e ，h i g hr e l i a b i l i t y ，n o p o l l u t i o n ，n om o v i n gp a r t ，t h et h e r m o a c o u s t i c e n g i n e h a sm a n y a d v a n t a g e sc o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a le n g i n e s f i r s t l y ，t h ep a p e rr e v i e w e dt h et h e r m o a c o u s t i ct h e o r ya n dt h e t e c h n i c a l d e v e l o p m e n t ，a n di n t r o d u c e dt h et h e r m o a c o u s t i c se l e m e n t a r y k n o w l e d g ea n dt h e r m o a c o u s t i cp h e n o m e n o np r i n c i p l e a ts a m et i m e ，t h e p a p e ra n a l y z e dt h et h e r m o d y n a m i cc y c l eo ft h e r m o a c o u s t i ce n g i n e d e l t a ei sp a r t i c u l a rc a l c u l a t e ds o f t w a r ef o rt h e r m o a c o u s t i c b u ti ti s b a s e do nl i n e a ra s s u m p t i o n ，a n dn e g l e c t e de n t r ye f f e c t ，s oi ti sd e f i c i e n c y f o rs t u d y i n go na c o u s t i cf i e l di nr e g e n e r a t o r w eu s e df l u e n tt os i m u l a t e t h ed i s t r i b u t i o no fa c o u s t i cf i e l d i no r d e rt o v e r i f yt h a t f l u e n ti s f e a s i b i l i t yf o rs i m u l a t i n gt h e d i s t r i b u t i o no fa c o u s t i cf i e l di nt h e r m o a c o u s t i cs y s t e m s ，w ec a l c u l a t e d t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o na l o n gt h es t r a i g h tr e s o n a t o rw h i c ht e r m i n a t e di n ar i g i dw a l la n dal a r g es p h e r i c a lv o l u m er e s p e c t i v e l y t h er e s u l t sw e r e a g r e e d w e l lw i t ht h et h e o r e t i c a n a l y s i s t h e n w es i m u l a t e da n e x p e r i m e n t a ls y s t e mb yu s i n gt w o m e a s u r e dv a l u e sa st h ei n p u ta n d o u t p u tv a l u e s t h es i m u l a t e dr e s u l t sw e r ea g r e e dw e l lw i t ht h eo t h e r m e a s u r e dv a l u e s i ti n d i c a t e st h a tt h em e a n si sf e a s i b l ea n dt h ep r o g r a m s a r er i g h t b a s e0 1 1t h i s ，w es t u d i e dt w op r o b l e m s ： 1 h o wt h e s h a p eo ft h er e s o n a t o re f f e c t so na c o u s t i cf i e l do f t h e r m o a c o u s t i cs y s t e m w em a d en u m e r i c a la n a l y s i st ot h es t a n d i n gw a v e t h e r m o a c o u s t i cr e s o n a t o r ，i n c l u d i n gs t r a i g h tt u b e s ，c o n e - s h a p et u b e s ，a n d e x p o n e n t i a lt u b e s ，a n do b t a i n e dt h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o na l o n gt h et u b e s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h er e d u c e rc a ni n c r e a s ep r e s s u r em a g n i t u d e t h i sh i g hp r e s s u r e m a g n i t u d ec a ns a t i s f y t ot h en e e do fp u l s e t u b e r e f r i g e r a t o r t h er e s u l t sa l s oi n d i c a t e dt h a tt h ep r e s s u r em a g n i t u d ew o u l d i n c r e a s ea st h ea n g l eo fc o n ei n c r e a s e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 w es t u d i e do nt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i ci nr e g e n e r a t o r w ec a r r i e d o nas i m p l en u m e r i e a la n a l y s i st ot h ei n s t a n t a n e o u sf r i c t i o nc o e f f i c i e n to f t h e o s c i l l a t i n g f l o wi nt h e p a r a l l e lr e g e n e r a t o r e s t a b l i s h e d at w o d i m e n s i o nm o d e l ，a n ds t u d i e do nt h ep r e s s u r ea n dv e l o c i t y sd i s t r i b u t i o n i nr e g e n e r a t o rb yf l u e n t a tt h es a m et i m ew ec a l c u l a t e d t h e i n s t a n t a n e o u sf r i c t i o nc o e f j f i c i e n to fo s c i l l a t i n gf l o wi nt h er e g e n e r a t o r t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ep r e s s u r em a g n i t u d ea n dv e l o c i t ym a g n i t u d e a r en o tas i n ed i s t r i b u t i o na n y m o r e ，b u 1 t al i n e a rd i s t r i b u t i o n ；t h e frictioncoefficient i saf u n c t i o no ft i m ea n do c a t i o n ；t h e r ei sa no b v i o u se n t r y e f f e c ta tt h et w oe n do ft h er e g e n e r a t o r k e yw o r d s ：t h e r m o a c o u s t i ce n g i n e ；r e s o n a t o r ；r e g e n e r a t o r ； a c o u s t i cf i e l dd i s t r i b u t i o n ；f l o wc h a r a c t e r i s t i c 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指 导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据 和文献的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除 文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经公开发表的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签- - 7 - - ) ：盈生兰 日期：7 , o o o v 匀z 月乡日 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 热声效应及其应用 当热的玻璃球连接到一根中空的冷玻璃管上时，管子的尖端会发 出声音，如图1 1 所示。17 7 7 年，b y r o nh i g g i n s 在实验室中发现，将 氢火焰放在两端开口的垂直管的适当位置，管中会激发出声音。18 5 9 年，r i j k e 在将加热丝放到一根两端开口的垂直空管的下半部分时观察 到强烈的声振荡，如图1 2 所示。18 7 7 年b o s s c h a 发现了一种所谓“可 逆 的r i j k e 振荡，即把冷却的丝网放到上述空管的上半部分时，同 样会发生振荡；相反，将冷却的丝网置于下半部分，振荡却衰减。后 来瑞士f e d e r a li n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y 的n r o t t 教授将这种由热驱动 而产生的声振荡称为“热声”。 l a s sb u l b lii q 媸狡硷q 声输出 加热丝网 图1 1 热的玻璃球遇冷的玻璃管 图1 2r i j k e 管 接触产生声震荡 应用于热动力领域的狭义的热声现象是指在一定的温度梯度、一 定的边界条件约束下，气相或者液相介质会在没有外部机械扰动的情 况下，产生一种自激声振荡( 声波) ，将热能在没有运动部件的情况下， 直接转化为机械能一一声能。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在流体( 气体或液体) 中传播的声波伴随着压力和位移振荡的同 时，还伴随着温度振荡。尽管日常生活中的热声现象十分微弱无法被 人们注意到，但在声场中的固体介质周围，温度振荡、压力振荡和位 移振荡三者结合产生了丰富的热声效应。可产生热声效应的流体介质 必须有可压缩性、较大的热膨胀系数、小的普朗特数，而且对于要求 较大温差，较小能量流密度的场合，流体比热要小，对于要求较小温 差，较大能量流密度的场合，流体比热要大。所有的热声产品的工作 原理都基于所谓的热声效应，热声效应机理可以简单的描述为在声波 稠密时加入热量，在声波稀疏时排出热量，则声波得到加强：反之声 波稠密时排出热量，在声波稀疏时吸入热量，则声波得到削弱。当然， 实际的热声理论远比这复杂的多。 热声效应分为两类：一是用热来产生声，即热驱动的声振荡；二 是用声来泵热，即声驱动的热量传输。因此根据热机中热声效应产生 结果的不同，热声热机可分为热声发动机和热声制冷机两类。其中， 热声发动机若被用于驱动制冷机则又可以称为热声驱动热声制冷机。 另外，根据热声热机中振荡的压力波与速度波的相位不同，热声热机 又可进一步细分为驻波型热声热机和行波型热声热机。纯驻波热机中 振荡压力波与速度波的相位差为9 0 0 ，而纯行波热机内相位差为0 0 。实 际的热声热机同时具备驻波和行波两种分量。这种能量的转换方式， 提供了一种长寿命、无污染的能源的利用途径。 1 2 课题背景及意义 二十世纪以来，随着各种科学技术的飞速发展，低温制冷机的研 发也获得了巨大的进展，低温制冷机种类日益增多，性能也不断得到 完善。然而，低温制冷机越来越广泛的应用以及高度可靠性的要求对 其自身提出了严峻的挑战。很多应用场合要求小型或微型的低温制冷 机，具有高度的可靠性，长时间( 数年) 不需维护。目前广泛应用的 常规的回热式制冷机，如s t i r l i n g ，g m 锋j l j 冷机等，虽然历史悠久、工艺 成熟，却不能完全满足这些要求，其关键原因在于这些机械制冷机存 在运动部件：压缩机和排出器，它们是影响制冷机长期可靠运行的主 2 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 要障碍。而且制冷机低温区排出器的存在，不仅带来机器本身运行的 可靠性问题，而且其机械振动可能成为一种干扰源，这对能感应微弱 信号的高精度系统来说是不能允许的。 另外，目前制冷领域广泛采用的c f c ，在制冷工业上被广泛应用 且取得巨大成功的原因，是由于它良好的热力学性质( 在所需温度和 合适压力下的相变) 和其极好的化学稳定性( 与碳氢润滑剂的兼容性) ， 正是它与润滑剂的兼容性使压缩机能运行在具有油的环境里，工作寿 命较长。c f c 在蒸汽压缩制冷循环中的引入，使其在半个世纪里几乎 统治了所有中小型食品制冷冷冻和建筑居民空调机的应用，但由于 c f c 的化学稳定性所产生的对臭氧层的破坏和温室效应，造成了严重 的环境问题，现今也倍受诟病，有关c f c 的国际公约( 1 9 8 9 年1 月签 署的m o n t r e a lp r o t o c o l s ) 的通过，预示着c f c 必将被历史所淘汰。 热声制冷技术是一种全新的制冷技术，它的出现，克服了以上制 冷技术的种种不足。声波由压力振荡、温度振荡和位移振荡产生，尽 管振荡很小，但二十多年来的研究显示这个“热声”效应可以利用来 制成有效的、效率合理的热机，包括热泵和制冷机，热声制冷技术与 传统的蒸汽压缩式制冷系统相比，具有无可比拟的优势，具有三个突 出的优点：其一是整个制冷系统除流动工质外没有运动部件，从根本上 消除了常规机械制冷机存在的磨损和污染，从而实现长寿命运转的要 求：其二是采用热能甚至一些低品位的废热( 例如太阳能，锅炉废热等) 驱动，具有极大的灵活性。采用低品位的热能不仅有利于提高系统的 热力学效率，而且对于那些缺乏电能的场合更具有实际意义；其三是 采用空气或者惰性气体等无污染气体作为工质，替代了传统的含氟工 质，绿色环保。 由此可见，热声技术的应用前景十分广阔，热声能量转换技术将 会给包括制冷工业在内的整个能源工业带来很大的影响，它的简单、 环保、节能高效的特性符合当今时代的需要，随着材料和制造工艺的 日趋成熟，可以肯定热声制冷机会具有极大的成本优势。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 热声技术的国内外发展现状 热声现象早在1 8 世纪末就被人们发现，最早引入中国的西方声 学书籍一声学中就提到1 7 7 7 年b y r o nh i g g i n s 的实验n 1 。但是一 直到上个世纪6 0 年代末，科学家们才开始进行广泛的研究。 1 8 5 0 年，s o n d h a u s s 首先对连接玻璃 球的中空玻璃管发声的现象进行了定性的 研究。后来人们就以他的名字把这种一端 封闭，一端开口的热声振荡管命名为 “s o n d h a u s s 管”，如图1 3 所示。 实际上，s o n d h a u s s 管和r i j k e 管 正是驻波型和行波型热声热机的雏形。 1 3 1 热声技术的试验研究 1 3 1 1 热声发动机 声输出 加热 图1 3s o n d h a u s s 管 热声效应具有现代工程化意义的应用是美国新墨西哥大学的 c a r t e r 教授和他的研究生f e l d m a n 于1 9 6 2 年对s o n d h a u s s 管进行了 有效改进，他们在s o n d h a u s s 管中加入板叠，极大加强了管内热声效 应，从而研制出了世界上第一台有声功输出的驻波热声驱动器，以 6 0 0 w 的热传输功率获得了2 7 w 的声功率，这种热声驱动器也称为 热声压缩机，这是现代热声学的重要发展。 1 9 8 0 年，y a z a k i 对t a c o n i s 热自激振荡进行了实验研究。h o f l e r 在19 8 5 年建立了一台热声自激振荡演示装置，一端开口，另一端封闭， 产生的振荡频率约为2 0 0 h z ，。 二十世纪8 0 年代初，美国l o sa l a m o s 国家实验室的热声研究小 组在w h e a t l e y 领导下，率先开展了热声发动机和制冷机的研制工作。 w h e a t l e y 认为声谐振驻波和表面热泵效应的组合能形成一种完全新型 的发动机，由于其中的气体热声效应和固体介质与气流之间所需的时 4 哈尔滨工程丈学硕士学位论文 均相位差都是通过自发的不可逆过程特别是由温差传热得到，因而 被称为自发发动机w 。实际上，这正是驻波型热声发动机与斯特林发 动机之矧最重要的区别。1 9 9 2 年，上述研究小组的s w i f t 等在一直径 为1 2 8 r a m 、总长为4 3 2 0 m m 的热声机( 图14 ) 上采用13 8 m p a 的h e 作为工质，产生了6 3 0 w 声功，效率为9 ，压力振幅为平均压力的 3 一】0 m 。 绝热 围l4s w i f t 掊建的驻波型热卢发动机 嘲嘲嗍紫囊戆 辫? 李冀零湖 _ 甾 图15l j a c h a u s 和s w i f t 的行波发动机 1 9 9 7 年，gws w i f t 搭建的混合型热声斯特林压缩机能以卡诺循 环效率的4 2 向共振管传送7 1 0 w 的声功。他们在实验中对加热功率， 板叠热端和冷端温度以及系统中所产生的压力波进行了仔细的测量， 发现在低振幅工况下，线性热声理论的计算结果同测量值比较符合， 而在高振幅工况下，则存在明显偏差。s w i f t 等人的研究工作验证了线 性热声理论对于热声发动机小振幅工况良好的适用性，但同时也表明 对于不满足线性化条件的大振幅工况需要发展非线性热声理论才能给 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 出合理的模拟计算结果。 19 9 9 年，b a c h a u s 和s w i f t 设计制作了一台新型行波型热声发动 机，见图1 5 ，这是c e p e r l e y 的设想和现代热声理论结合的成果。该 系统经历了可逆的斯特林循环，因而热力效率明显地超过驻波系统。 据b a c h a u s 和s w i f t 报道，驱动器能达到0 3 0 的热力效率，这比先前 任何热声发动机的效率都要高出5 0 以上，这一效率可和传统内燃机 的效率相媲美。该成果获该年度美国1 0 0 项科技进步大奖之一。 在国内浙江大学制冷与低温工程研究所的陈国邦等于19 9 6 年首 次研制成一台采用丝网板叠的半波长热声压缩机。以氮气和氦气做工 质时分别获得了1 12 和1 0 6 的最大压比，系统地研究了充气压力、 加热功率、加热温度等操作参数，谐振管长度等结构参数以及工质种 类对热声发动机性能的影响。针对丝网型板叠，进一步提出了丝网 板叠填充率的概念。 中科院理化技术研究所罗二仓研究员等对热声发动机的运行机 理和结构进行了积极的探索，独立地设计并建立了国内第一台行波型 热声发动机。浙江大学金滔博士在法国科研中心l i m s i 实验室与 f r a n c o i s 合作开展了研究工作，在s w i f t 系统的基础上设计制作了一台 行波型热声发动机伸，。 华中理工大学郭方中等从9 0 年代初开始对热声驱动器进行研究。 他们建成的热声驱动器原型机以氮气为工质，加热温度为5 0 0 时， 压力振幅可达平均压力的1 0 。系统总长1 9 m ，振荡频率为8 6 h z 。 他们还建立了双传声器法声功测量系统”。 中科院理化技术研究所的李青研究员和他的学生们在热声热机 小型化方面做着不懈的努力，所研制的热声斯特林发动机的频率达到 3 0 0 h z ，高频级联型热声热机的频率接近4 7 0 h z “，而声驱动的热声 制冷机频率接近2 5 0 0 h z 川。 2 0 0 3 年，浙江大学邱利民及孙大明等设计制作了一台行波型热声 发动机n 一“，采用氮气为工质，经改进后该发动机在2 m p a 的系统平 均压力下，获得了1 2 l 的压比，采用氦气为工质，获得了1 19 的压 比”。 2 0 0 4 年，中科院理化技术研究所罗二仓研究员同凌虹等设计并制 造了一台采用锥形谐振管的行波型热声发动机，该发动机在1 5 2 m p a 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的系统平均压力下，加热功率达到38 k w 时，获得了i3 0 的压比“。 2 热声制冷机 1 9 7 4 年，瑞士的e m e r k t i 和h t h o m a n n 首次演示了在开口管子 中利用声波制冷的实验。19 7 9 年，美国乔治梅森大学的c e p e r l e y 提 出，一种共振型行波热声制冷机，并认为传统的s t i r l i n g 制冷机实际 上也是一种行波热声制冷机“。 1 9 8 6 年，h o l l e r 博士在完成论文期间设计并制作了一台扬声器驱 动的热声制冷机，见图16 ( 复制自文献 2 0 ) 。这是一台总高度为6 0 c m 的1 4 波长谐振管，谐振管的底部带有一个球型腔体，模拟管端是开 口的。驱动器为一动圈式扬声器，装在热端换热器的顶端。产生的压 力波节在谐振管与球体连接的扩1 ：3 处。这是世界上第一台有效的热声 制冷机，实验结果表明，在负荷3 w 的情况下，其制冷系数达到卡诺 系数的1 2 ，制冷温度可达一5 0 “”。 图16 h o f l e r 的电驱动热声制冷机 图17s g a r r e t t 的空间制冷机 1 9 9 0 年，r a d e b a u g h 等采用热声驱动脉管成功地达到9 0 k 的低温， 这是第一台无运动部件的低温制冷机。热声发动机的长度达1 0 m 共 振频率为4 0 h z 左右，压比约为1l0 。 美国海军研究牛院的sg a r r e t t 等开展了提高效率的研究，认识 到换热器在热声机械中的重耍作用，并对此进行了专门的研究，以促 一 一口于斋r_l 一 龃!，掉翠0， 螺 艄 黼 叛 撕 黼扳椭 共 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 进热声制冷机的实用化。sg a r r e t t 和洛斯阿拉莫斯国家实验室的 g ws w i f t 研制的空间用热声制冷机于19 9 2 年1 月随“发现号”进入 太空。这是一台1 4 波长的热声制冷机( 图17 ) ，工作压力为10 m p a 工质为9 7 h e 和3 a r 的混合物。它的热声板叠直径和长度分别为 3 8 m m 和7 9 m m ，在装冒顶部的电动扬声器产生4 0 0 h z 声波的驱动下， 在5 0 0 温差下获得30 w 制冷量，其热力学完善度为1 6 。这种结构 在改进设计后，制冷温差可达8 0 ，热力学完善度可达2 0 。此外， 19 9 5 年，他们又开发成功一台用于冷却海军舰船上电予系统的热声制 冷机”1 ，创造了用热声方法承受4 1 9 w 有效热负荷的纪录，扬声器消 耗的声功为2 1 6 w 。 图l8cr y e n e o 与洛斯阿拉莫斯热声制玲机 1 9 9 4 年，美国c r y e n c o 公司与洛斯阿拉莫斯国家实验室合作，进 行以燃烧天然气作为驱动源的热声制冷机液化天然气研发项目。1 9 9 8 年，他们研制成一台热声驱动脉管制冷样机”，见图1 8 ，采用驻波型 热声发动机驱动一台小孔型脉管制冷机，谐振管长1 2 m ，工作压力为 30 m p a ，工作频率约为4 0 h z 。热声发动机将约12 k w 的声功传递给脉 哈尔滨工程大学硕士学位论文 管制冷机，脉管制冷机在13 0 k 达n 2 0 7 0 w 肯0 冷量，可实现5 3 0 l d 的天 然气液化率。热声发动机和脉管制冷机的效率分剐达到c a r n o t 效率的 2 5 n 2 3 。该样机可通过燃烧6 0 的天然气液化其余4 0 的天然气。 这是热声驱动脉管制冷技术实用化进程的重要里程碑。图19 为其二期 工程。上部是发动机，下端是制冷机，中间由半波长的谐振管连接 工质为氦气，运行频率为4 0 h z ，目标参数是液化率5 0 0 9 p d ，发动机向 制冷机传输3 0 k w 的卢功，制冷机的制冷量为7 k w 通过燃烧3 5 的天 然气液化其余6 5 的天然气。2 0 0 1 年，5 0 0 9 p d 的发动机驱动脉管制 冷机的实验样机丌始运行。目前这个项目正在进行第三期研究工作， 研究的目标是天然气液化量为每天1 0 0 0 0 到2 0 0 0 0 加仑的t a s h e - o p t r 系统，该项目希望实现的目标是将2 0 的天然气燃烧产生的热量作为 动力，将剩余的8 0 的天然气液化。这是一个真正具有工程应用意义 的项目。 1 9 9 5 年前后，同济大学的袁鹏等对热声制冷进行了实验探索，研 围19c r y e n c o 与洛斯阿拉莫斯热声制冷机( 二期工程) 哈尔滨 二程大学硕士学位论文 制了一台热声能量转换的验证装置，获得了近1o 的温降”。 浙江大学制冷与低温工程研究所自1 9 9 6 年研制成驻波型热声发 动机后，开展了热声驱动脉冲管的研究，19 9 8 年制成一台热声制冷机， 获得了1 2 的温降。2 0 0 0 年，他们以氦气为工质的驻波型热声驱动制 冷系统中获得了13 8 k 的低温h “，2 0 0 1 年，获得了1 l7 6 k 的低温垤“， 进入了低温温区。 2 0 0 4 年，陈国邦、汤坷等对发动机实行进一步改造，达到了8 8 6 k 的无负荷制冷温度他7 1 。中科院理化技术研究所在以氦气为工质的行波 热声驱动脉冲管制冷机系统中获得了7 5 1 k 的低温，首次进入液氮温 区，也是目前采用热声发动机驱动脉冲管制冷机所获得的最低温度伸“。 1 3 2 热声理论的研究进展 热声理论的研究源自18 6 8 年，k i r e h h o f f 计算了声音在管中由固 体等温管壁和维持声波的气体之间振荡的热传导引起的衰减量，研究 了热传导对管内声波传播的影响”。 1 8 7 8 年，r a y l e i g h 首先对热声振荡现象作了定性解释，这是人 们第一次从理论上对热声现象进行探讨。他认为几乎在所有情况下， 当对物体加热时总会引起该物体的膨胀，并对外做功。只要参与热过 程的工质运动与热交换之间具有合适的相角，就可以维持一种振荡。 对做声振动的介质，若在其最稠密的时候向其提供热量，而在其最稀 疏时从其中吸取能量，声振荡就会得到加强( 热能转变为声能) 。反之， 若在其最稠密的时候从其中吸取热量，而在其稀疏时向其提供能量， 声振荡就会得到衰减( 声能转变为热能) ，为了维持声振动，外界必须 对流体做功。这就是所谓的r a y l e i g h 准则，也称作r a y l e i g h 判据，它 一直被人们认为是理解热声振荡如何在管中得以维持的一个合理解 释。r a y l e i g h 热致声判据定性概括了热致声的条件： ( 1 ) 要求供热具 有周期性的扰动分量；( 2 ) 热量的时间变化率与压力扰动要具有合适 的相位差。文献1 3 给出了这个判据的数学描述：如果以相量q 表示热量 波动，p 表示压力波动，当两个相量之间相位差为锐角时，即 陀一岛 詈，则供热使 1 0 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 声振减弱。 l9 6 9 19 8 0 年间，苏黎士联邦技术研究所的n r o t t 提出热声振 荡定量理论，由此奠定了现代线性热声理论的基础。可以说，他是 现代热声学研究的开创者，在理论上阐明了热声效应中存在着热和功 的相互转换。他提出的理论框架为分析热机提供了现代热声学的理论 基础，是目前热声研究中公认的最有效，也是应用最广泛的理论。 19 7 9 年，美国g e o r g em a s o n 大学的c e p e r l e y 提出了一种行波型 热声制冷机，认为传统的s t i f l i n g 制冷机实际上也是一种行波热声制 冷机。c e p e r l e y 首先意识到斯特林发动机回热器中的压力波和速度波 的相位同热声行波的相位是一致的，并提议其除工质气体外的所有运 动部件，利用声波来控制气体运动和气体压力。c e p e r l e y 的工作提示 人们有必要把斯特林发动机中工质气体的声波动性同一些象压力和速 度等重要变量的变化，以及气体的粘性、压缩性与流阻等的依赖关系 联系起来。其中，压力与速度都同气体运动的方向有密切的关系。 1 9 8 8 年，s w i f t 教授发表的“t h e r m o a c o u s t i ce n g i n e ”一文标志着继 n r o t t 以后现代热声学研究进入一个新的阶段。该文既是美国洛斯 阿拉莫斯国家实验室热声研究小组多年研究工作的总结，也代表了当 时热声学研究的最新成就，提出了基于n r o t t 线性模型的短板叠边 界层近似模型”，其假设条件为：板叠长度比系统小得多，忽略对系 统声场的影响；板叠热容很大，不考虑气流振荡频率对板叠温度的影 响；忽略板叠纵向方向的导热。在该模型中提出了热致声和声致冷效 应的量化指标：i 临界温度梯度v 。当回热器两端温度梯度乙a x 大 于临界温度梯度v 疋一，时，回热器产生热致声效应；当乙a x 小于v 时，回热器产生声致冷效应。在基本理论方面，发展了经典的热声网 络理论( 热声学相似理论) “，并提出了热声学相似理论，脉管制冷机 中的声流等。w a r d 和s w i f t 等编制的热声计算软件d e l t a e ，可广泛应 用于简单的管网、热声制冷机的谐振管以及各种复合结构。此后，在 继续理论研究的同时，热声研究开始进入了实用化探索阶段。 9 0 年代，约翰霍普金斯大学也开始了热声的研究，在热声制冷 机和热声驱动器的数值模拟方面颇具特色。尤其是在数值分析基础上 进行的优化设计，有其独到之处，他们对影响热声转换过程的众多变 量进行了具体的分析，归纳出一系列无量纲量，把原来至少19 个独 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 立参数减至6 个无量纲输入量，大大简化了优化计算和设计的过程， 这对于热声系统这样含有众多影响因素的复杂系统来说具有非常重要 的意义。 在国内，8 0 年代末，中科院低温中心的肖家华首先开展了热声理 论的研究n “”。他运用简单的物理模型，从实际气体和固体方程的基 本方程出发，包括流体的连续性方程、动量方程、流体和固体的能量 方程，状态方程及普遍适用的热力学关系式，经过合理的简化，推导 出适用于单纯流体二维流道、平均化的多孔介质一维流道的一般声场 的热声学理论，建立了热声学的纵向流动方程和能量一温度方程，并 建立了回热式制冷机的热声模型，较好地处理了回热式热机的内在不 可逆性和了解了各种因素的影响。对于绝热声效应，提出了一个临界 功产生温度梯度。 中科院理化技术研究所的罗二仓建立了简化的线性热声理论，用 于描述脉冲管制冷的工作机理n ”。声学所马大酞对热声管中的非线 性声波进行了研究，并给出了非线性行波和驻波的严格解阳”。 19 9 6 年，朱绍伟与松原洋一等人对热声过程的热力学方程组( 包 括连续性方程、动量方程、气体和填料的能量方程，以及理想气体的 状态方程) ，利用有限单元法进行了数值求解“，。 2 0 0 1 年，中科院理化技术研究所罗二仓建立了多孔介质中声直流 的非线性模型，为深入了解回热器及声直流产生机理打下了良好的基 础”。 华中理工大学的邓晓辉和郭方中运用理论和系统的热力学的方法 对回热器的研究作了进一步的工作“。首次提出热声网络模型，引出 回热器填料的阻、感、容、源等概念，建立回热器的有源网络模型。 首次从实验中证实了c e p e r l e y 声功率放大器提法的正确性。通过细 致的热力学分析，指出了热声转换的本质过程，并在郭方中的网络理 论指导下建立了工程实用的回热器有源热声网络。不但解决了热机中 热功率转换的网络模拟描述困难，而且实现了热声理论向工程设计方 法的转化。此外，他们还提出了填料特征尺寸的实验确定及声阻抗特 性的实验测量方法，这些工作为推动热声热机的工程应用提供了实验 依据和方法。 近3 0 年来，热声研究取得了长足的进展，已经成为国际上一个比 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 较活跃的研究领域，美国、欧洲、日本都在竞相进行热声的理论和实 验研究。在理论研究方面，线性热声理论已经比较成熟，已经能够很 好的解释低频小振幅热声热机的工作机理，而非线性热声理论成为一 个新的研究热点。在实验研究方面，如何提高热声制冷机的效率以促 进实用化等等，是急需解决的问题。 我国的热声研究虽然起步较晚，但在广大科研人员的共同努力下 也取得了很大的进步，随着科研力量及资金的更多投入，在个别领域 甚至走在了前列，我们应趁此大好时机迎头赶上国际制冷技术研发的 潮流。 1 4 本文拟研究的问题 热声热机工程化的核心问题就是既要保持无运动部件这个独特优 点，又要减少声功损失，提高热效率和声功率密度，而要做到这几点， 一方面受到系统谐振结构的影响，另一方面受到回热器参数的制约。 系统谐振结构决定声场的边界条件，进而决定声场的空间和时间 分布。过去几十年热声研究已经成功利用了半波长、1 4 波长等基本 谐振器或复合谐振器的声学特性，也正在探索更加高效、可靠、简单 的新型热声谐振结构。 异形谐振管的引入，为这一问题的解决提供了思路。合适的异形 管一方面可以在抑制非线性效应的前提下，提高系统运行的压力振幅， 另一方面又可以通过降低热量的无效损失而提高效率。 回热器的结构及物性一方面决定着系统热声效应能否实现以及实 现的方向，另一方面又严重影响着热声循环的效率。合适的热声回热 器设计既有助于热声功能的有效实现，又可以降低粘性损失。 因此本文的研究内容主要有两个，一是异形管的声特征问题，一 是回热器的流动特性问题。 鉴于实验研究费时费力，本文拟采用基于f 1 u e n t 的数值模拟方法 来研究这两个问题，为了证明采用f 1u e n t 数值模拟方法的可行性，本 文将首先对简单热声系统进行模拟，然后利用“高频热声元件热声学 特征辨识”实验台进行实验验证。在实验和理论验证的基础上对异形 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 管和回热器的声特征进行数值模拟。 1 5 本文主要内容概要 本文研究内容主要由两部分组成。第一部分主要是热声谐振管结 构对热声系统声场分布的影响；第二部分主要对回热器的流动特性进 行初步的探索性的研究。全文共分6 章。 第1 章绪论给出本文工作的背景。基于热声理论的热声热机的研制 与运行，是热学和声学理论密切结合的产物，对其研究有利于热声学 这一交叉学科的发展，同时本章介绍了以往热声理论的研究以及运用 所取得的成就，并提出了所要研究的问题。 第2 章分析了热声发动机和热声制冷机的热力学循环，由于热声效 应自激振荡的特点将使得基于热声原理的热声热机的循环与经典热机 循环有所不同。 第3 章主要对简单谐振管结构进行数值模拟，通过简单系统的模拟 初步检验f l u e n t 用于热声声场模拟的可行性，然后将利用实验系统进 一步检验该研究方法的可行性。 第4 章利用f l u e n t 对异形谐振管进行声特性研究。在直管系中伴随 着振幅增大出现的非线性现象是一个需要克服的问题，引入异形谐振 管将有利于这一问题的解决，各种异形管对声场分布的影响如何，将 是本章研究的重点。 第5 章采用f l u e n t 数值模拟的方法，对回热器中的交变流动特性进 行初步的研究，这是本文的探索性研究问题，也是作者在以后的研究 中将继续进行的工作。 第6 章为全文总结以及未来工作展望。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章热声热机的微热力学循环 2 1 管内一维平面波 热声现象是一种发生在人们周围的普遍物理现象，只是通常情况 下由于热声效应引起的温度振荡和热流量都非常小，不为人们所觉察 罢了。 日常生活中当人们开口发声时，声波就以压力波的形式向外扩散 传播，声波传播的过程是相邻空气微团之间反复压缩膨胀的接力赛， 把波动形式向前传递，而空气微团仍旧在原地振荡，也就是说空气粒 子并不跟着声波前进，振动传播的只是能量一声能，而没有发生物质 的流动，如图2 1 所示。 团压缩气体微团膨胀 。令。 图2 1 声音在空气中传播不意图 当声波仅沿x 方向传播，而在y z 平面上所有质点的振幅和相位 均相同时，声波的波阵面是平面，因此称为平面波，。在热声谐振管 中，管径内的热声器件特征尺寸都远小于声波长，因此管中声波的传 播可以看作是平面波。 平面波动方程可归结为求解一维声波方程： 睾= 专睾 d - _ = 一 lz l ， 8 x 2 c ：a t | 其解为： p = p ( x ) e j ( 纠+ 伊) ( 2 2 ) 上式为一般情况，其中国为声源简谐振动的圆频率，妒为初相角， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 它对稳态声传播性质的影响不大，为简单起见可以将缈忽略，则上式 变为 p = p ( x ) e 刎 ( 2 3 ) 将它代入( 2 1 ) 式，即可得到关于空间部分p ( x ) 的常微分方程 掣- k 2 p ( x ) ：o 出2 7 其中k ：旦为波数。上式的一般解可取正弦、余弦的组合， c 0 数组合( 更适合无限空间传播) ，即 黼= p i ，囱+ p r 恼 将其代入( 2 1 ) 得 ( 2 4 ) 也可取复 ( 2 5 ) p g ，x ) = p i a e j ( “一叫+ 砌p _ ，协+ 砷 ( 2 6 ) 式中第一项代表了沿正x 方向行进的波，第二项代表了沿负x 方向行 进的波，m ，p r a 分别为入射波及反射波声压的振幅。当在无限媒质中 时，传播途径上没有反射体，这时就不出现反射波，因而p 一= o ，上式 简化为 p o ，曲= 砌沏地) ( 2 7 ) 这就是平面行波的压力分布方程。再设x = 0 的声源振动时，在毗邻 媒质中产生的声压为岛p 脚，则声场中的声压为 比，x ) = 岛p ，协一纽) ( 2 8 ) 再由质点动量守恒方程，质点速度为 一万1f 挚， 一六f 挚y ，pno 一万lj 挚， 1 6 哈尔滨丁程大学硕士学佗论文 可得质点速度： 1 ，( f ，x ) = 1 ，口p 咖卜h ( 2