第29卷第3期華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)2001年3月J Huazhong Univ. of Sci.& Tech200l熱聲熱機(jī)中回?zé)崞鞯臄?shù)值計(jì)算與分析張曉青郭方中華中科技大學(xué)動(dòng)力工程系)摘要:針對(duì)熱聲熱機(jī)系統(tǒng)回?zé)崞?或板疊)的數(shù)值計(jì)算討論了簡(jiǎn)單實(shí)用的簡(jiǎn)諧分析方法并對(duì)熱聲制冷機(jī)中的熱聲板疊進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算與分析計(jì)算結(jié)果為回?zé)崞?或板疊)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化奠定基礎(chǔ)從而保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性關(guān)鍵詞:熱聲熱機(jī)回?zé)崞靼瀵B漖值計(jì)算中圖分類號(hào):TK11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10008616(2001)3-0087-03從能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)來看,回?zé)崞?或板疊是熱聲熱機(jī)中的有源元件即在其中有聲功的轉(zhuǎn)換dUn=t1+(y-1))l1+熱能轉(zhuǎn)換成聲能(如熱聲發(fā)動(dòng)機(jī))或聲能轉(zhuǎn)換成f-f、)d7n熱能泵熱(如熱聲制冷機(jī))固體介質(zhì)中振蕩流的(1-f夏1-a)dU1;(2)流體力學(xué)和熱力學(xué)是研究斯特林機(jī)的學(xué)者們最關(guān)d Tm/dx= tH2-(1/2 Rep,[1心的只有具備最仔細(xì)制作的回?zé)崞鞯南到y(tǒng)才能TnKf-f、)(1+a夏1-f、)y獲得最高的效率對(duì)斯特林低溫制冷機(jī)尤為如此Omcp I u122o4(1-a2)11-f12因?yàn)榧词够責(zé)崞鞯奈⑿∈б矊?huì)引起凈制冷功ln(f+f、)-(A1K+AK)}率的大大降低因此回?zé)崞?或板疊)的計(jì)算與式中,為回?zé)崞?或板疊)中平均的焓流對(duì)橫設(shè)計(jì)直接影響著系統(tǒng)性能的好壞,回?zé)崞?或板向絕熱良好的回?zé)崞?或板疊)它是常數(shù);U1為疊)計(jì)算方法的研究與探討對(duì)回?zé)崾綗崧暉釞C(jī)的流體的體積流率;A1和A分別為流體和回?zé)崞鲾?shù)值模擬與設(shè)計(jì)有著重要的意義或板疊〕固體材料的橫截面積和∫分別為截簡(jiǎn)諧分析計(jì)算方法面平均的粘性和導(dǎo)熱分布函數(shù);K和K分別為流體和固體的熱導(dǎo)率n和pn分別為流體的平均密回?zé)崞鞯挠?jì)算方法可以歸為三類時(shí)間分步度和平均壓力;y為絕熱指數(shù)汨為普朗特?cái)?shù);cp回?zé)崞骰虬瀵B)計(jì)算采用擾動(dòng)法中的簡(jiǎn)諧分的角頻等壓比熱羽為熱膨脹系數(shù)冫為聲波為單位質(zhì)法、全局隱含法和擾動(dòng)法.通過比較分析可知對(duì)析方法1較為簡(jiǎn)單、快速和實(shí)用對(duì)于平行板疊、圓形和矩形通道等簡(jiǎn)單幾何般把聲壓灬空間上平均聲速(m1)和平均的回?zé)崞?或板疊)與粘性和傳熱損失相關(guān)的函溫度T看作相關(guān)參數(shù)由于簡(jiǎn)諧法將振蕩變量數(shù)與/已由文獻(xiàn)[3]推導(dǎo)出了較為成熟的計(jì)看作基頻的簡(jiǎn)諧量因此可采用振蕩量的復(fù)數(shù)幅算公式,因而回?zé)崞骰虬瀵B)的數(shù)值可按式值來表示微分方程若回?zé)崞饕欢说闹凳且阎?(1)-(3)進(jìn)行計(jì)算對(duì)于絲網(wǎng)狀和其他復(fù)雜形狀則利用復(fù)數(shù)幅值表示的微分方程組可計(jì)算整個(gè)的回?zé)崞鞯挠?jì)算卻沒有較成熟的公式可用可按回?zé)崞魃系膒(x)ku(x)和T(x)等簡(jiǎn)諧分析方法根據(jù)穩(wěn)定流關(guān)系的數(shù)據(jù)來確定幅對(duì)簡(jiǎn)單幾何的回?zé)崞骰虬瀵B射計(jì)算可按如值相關(guān)的摩擦系數(shù)和傳熱系數(shù)進(jìn)而可確定相應(yīng)下微分方程進(jìn)行計(jì)算2的中國(guó)煤化工函數(shù)∫和若缺乏apI穩(wěn)CNMHG獲得摩擦系數(shù)和傳熱dx AK1-f)(1)系數(shù).對(duì)具有不同穩(wěn)定流數(shù)據(jù)的其他復(fù)雜形狀的收稿日期:2000-10-19作者簡(jiǎn)介:張曉氜1964)女講師武漢華中科技大學(xué)動(dòng)力工程系(430074).基金項(xiàng)藜自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(59m0華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)2001年回?zé)崞鞯挠?jì)算只是摩擦系數(shù)和傳熱系數(shù)曲線擬的關(guān)系從圖3可看出對(duì)每一溫差存在一最佳間合形式的不同均可按簡(jiǎn)諧分析方法計(jì)算隙使系統(tǒng)制冷量最大2熱聲制冷機(jī)板疊的計(jì)算與分析熱聲制冷機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示其已知條002040.6081.01.214s/ mm圖1熱聲制冷機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)l—聲源ρ—熱端換熱器3-冷端換熱器;圖3s與Q和C/C的關(guān)系諧振腔S一諧振管—板疊件如下.工況平均壓力3×105Pa,諧振管的平均1一△T=0K:2-△T=10K;3-△T=15K;4-△T=20K溫度300K熱端換熱器溫度295K;諧振管:內(nèi)徑圖4顯示了制冷量Q。和板疊的性能系數(shù)隨436mm管總長(zhǎng)2m諧振腔內(nèi)徑中m20板疊長(zhǎng)度Ln的變化關(guān)系板疊的長(zhǎng)度對(duì)制冷量和m聲源振蕩容積幅值24cm板疊130m,其性能系數(shù)有較大的影響從圖4知在一定條隙0.7m板厚0.2m板疊熱端離聲源的距件下要使系統(tǒng)處于制冷模式板疊長(zhǎng)度存在一范離28m材料為Mr換熱器(板疊結(jié)構(gòu))間圍對(duì)圖中的每一條件也存在一最優(yōu)板疊長(zhǎng)度隙0.8mm板厚0.2mm熱端換熱器長(zhǎng)30mm冷端換熱器長(zhǎng)20mm,材料為銅片浦諧振頻率為640.16Hz工質(zhì)為氮?dú)鈱?duì)駐波系統(tǒng),由于板疊間距s板疊長(zhǎng)度及板疊在駐波中所處的聲場(chǎng)位置X對(duì)系統(tǒng)有較大影響因而對(duì)此三個(gè)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算計(jì)算過程如圖2所示.圖3~圖5是對(duì)圖1所示聲驅(qū)動(dòng)的駐輸入系統(tǒng)已知參數(shù),賦混度一個(gè)線性初值L,/m計(jì)算工作介質(zhì)的熱物性參數(shù)圖4L1與Q和C/C的關(guān)系計(jì)算各元件的單位傳遞矩陣及系統(tǒng)總傳遞矩陣l一△T=30K:2-—△T=20K;3-△T=10K匚計(jì)算邊界上的參數(shù):P2U從圖5的計(jì)算結(jié)果知在其他條件一定的情計(jì)算各戴面上的參數(shù):PU.了計(jì)算各截面上的平均熱流聲功率,焓流,及回?zé)崞髦蟹袼憔诙忍?10輸出結(jié)果圖2計(jì)算程序框圖圖5X與Q和C甲/C的關(guān)系N為循環(huán)數(shù),』為迭代精度波熱聲制冷機(jī)中的板疊利用式(1)~(3)算的中國(guó)煤化工△7=10K結(jié)果圖中,Cm是板疊的性能系數(shù)定義為板疊況CNMHGAT=30 K佚式板疊的位置X存冷端的制冷量Q與板疊消耗的聲功之比;是在一范圍對(duì)圖中的每一條件板疊也存在一最優(yōu)相應(yīng)溫區(qū)的卡諾性能系數(shù)洶T是板疊兩端的溫位置使制冷量和性能系數(shù)達(dá)最大值以提高制冷機(jī)在△T=20℃溫差下的制冷量圖3顯親疊性能參數(shù)與板疊間隙、之間第3期張曉青等:熱聲熱機(jī)中回?zé)崞鞯臄?shù)值計(jì)算與分析為優(yōu)化目標(biāo)并適當(dāng)考慮性能系數(shù),作者從熱聲制冷機(jī)板疊的計(jì)算結(jié)果,優(yōu)化了原有板疊參數(shù),優(yōu)化前后結(jié)果比較如下優(yōu)化前:X=320mm,L=120mm,s=0.8mmQ=15.74W,Cm=0.23;實(shí)驗(yàn)結(jié)果:Q。=14.41W,C=0.2115=0.1 mm優(yōu)化后:X=160mm,L=150mm,s=0.7mQ。=23.58W,Ccmp=0.21;實(shí)驗(yàn)結(jié)果:Q21.45W,Ccop=0.193從計(jì)算結(jié)果知,優(yōu)化后制冷量提高了圖6Q與聲源的驅(qū)動(dòng)頻率f的關(guān)系49.81%以適當(dāng)犧牲性能系數(shù)為代價(jià)性能系數(shù)l—制冷量中的對(duì)流分量Q2-導(dǎo)熱分量Q-降低了8.7%實(shí)驗(yàn)值為制冷量提高了48.853—行波分量Qmx—駐波分量Qu性能系數(shù)降低了8.5%此結(jié)果是比較滿意的.間隙為2δ~4δ,以提供合適的駐波相位.回?zé)崞骰趯?duì)板疊的計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)此駐波熱聲制冷(或板疊)間隙或水力半徑是影響熱聲熱機(jī)系統(tǒng)機(jī)中的能量分量進(jìn)行了計(jì)算結(jié)果示于圖6中正常運(yùn)行的重要因素.總之,回?zé)崞?或板疊)的圖6顯示了在不同板疊間隙s時(shí)板疊冷端計(jì)算與設(shè)計(jì)對(duì)熱聲熱機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行是至關(guān)重處總熱流即制冷量和其分量與頻率的關(guān)系(計(jì)算要的條件m=0.3MPa;X1=0.31m△T=10K)由圖參考文獻(xiàn)6可覓板疊冷端的總熱流即制冷量在大間隙時(shí)s=0.7mm)駐波分量占優(yōu)勢(shì)在小間隙時(shí)(s[1 ]Swift G W, Ward W C. Simple Harmonic Analysis of Re-generators. Thermophysics and Heat Transfer, 1996, 100.1mm)行波分量占優(yōu)勢(shì),計(jì)算結(jié)果說明了小間(4):652~662隙有利于行波成分的增加因而要求在行波熱機(jī)[2] Swift G W. hermoacoustic Engi.Acs,.sc.Am如斯特林中的板疊間隙或回?zé)崞鞯乃Π霃竭h(yuǎn)小1988,84:1145~11于一個(gè)流體滲透深度δ以提供熱機(jī)正常工作的[3] Arnott W p,BsHE, Raspet R. General Formulation of合適的行波相位;而要求在駐波熱機(jī)中板疊Cross Sections. J. Acouoc,Am.,1991,90:3228Numerical Calculation and Analysis of Regeneratorin Thermoacoustic Heat EnginesZhang Xiaoqing Guo FangzhorAbstract: A method of simple harmonic analysis for calculation of regenerator or stack )in thermoacoustic heat engine systems is described. The calculation and analysis of stack in thermoacoustic refrigerator are presented. Thedesign and optimization of regenerator(k) are strongly based on its numerical calculation assuring the reliability of design of thermoacoustic systemsKey words: thermoacoustic heat engine regenerator stack numerical calculationZhang Xiaoqing Lect. i Dept. of Power Eng., HUST, Wuhan 430074, Chin中國(guó)煤化工CNMHG