第42卷第11期中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)vol, 42 No 112011年11月Journal of Central South University(Science and Technology)Nov.2011熱聲板疊式回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)動力學(xué)分析劉益才,辛天龍,陳思明,楊培志,馬衛(wèi)武(中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長沙,410083)摘要:分別利用 Solidworks和 ANSYS軟件對熱聲系統(tǒng)中回?zé)崞鞯臒崧暀C理從結(jié)構(gòu)動力學(xué)角度進行模擬研究。建立三維板疊式回?zé)崞鞯奈锢砟Ｐ?得到在0.5,0.6和07MPa充氣壓力作用下和在系統(tǒng)內(nèi)諧振動作用下回?zé)崞鞯母鲃恿W(xué)參數(shù)的響應(yīng)及其分布。從模擬結(jié)果得出:回?zé)崞髟跓崧曄到y(tǒng)振動中存在多種模態(tài):在低頻段各點應(yīng)力應(yīng)變基本吻合,高頻段各點差異逐漸增大;在一階固有頻率3300Hz附近,回?zé)崞鲀?nèi)各點的應(yīng)力和應(yīng)變達到最大值。關(guān)鍵詞:熱聲;回?zé)崞?模擬;動力學(xué)響應(yīng);模態(tài)中圖分類號:TG651文獻標(biāo)志碼:A文章編號:1672-7207(201)13551-05Analysis of structural dynamics inthermoacoustic flat-plate regeneratorLIU Yi-cai, XIN Tian-long, CHEN Si-ming, YANG Pei-zhi, MA Wei-wu(School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)Abstract: Mechanism of regenerator in thermoacoustic system was studied using Solidworks and ANSYS softwareSimulation was made from the new perspective of structural dynamics. A three dimensional physical model of theflat-plate regenerator was obtained Under different inflation pressures which were 0.5, 0.6 and 0. 7 MPa respectively andthe harmonic condition, the response of various dynamics parameters and distribution on the regenerator was gained. Thesimulation results show that regenerator in the thermoacoustic system exists in a variety of vibration modes. Stress andstrain are almost coincident in the low frequency band while the difference gradually increases with the frequency is inthe high band. At 3 300 Hz of the first order natural frequency, stress and strain of the points inside the regenerator reachthe maximumKey words: thermoacoustic; regenerator; simulation; dynamic response; mode作為熱聲系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,回?zé)崞鞯恼{(diào)相機理及處于密閉環(huán)境當(dāng)中固體介質(zhì)與氣體介質(zhì)間復(fù)雜的相互其在熱聲中的實質(zhì)作用一直被國內(nèi)外廣泛研究與。在作用必然會形成某種作用力,這一作用力對于回?zé)崞鳠崧曄到y(tǒng)回?zé)崞髦醒毓腆w壁面?zhèn)鞑サ穆暡ê妥饔糜谠撃酥琳麄€熱聲系統(tǒng)熱聲轉(zhuǎn)換效率的影響還沒有深入研方向的固體溫度梯度相耦合會造成一個橫向的熱波,究。根據(jù)結(jié)構(gòu)聲理論,當(dāng)某個力作用于結(jié)構(gòu)上時,會實際上就是利用填充材料調(diào)節(jié)熱波與速度波之間的相引起結(jié)構(gòu)自身的振動,這也是結(jié)構(gòu)聲產(chǎn)生的一個重要位差使得熱波相位滯后于速度波相位,這可以說是目原因即振動激勵214。研究表明回?zé)崞髀晫W(xué)特性與頻前公認(rèn)的回?zé)崞髡{(diào)相機理6。然而在這一過程中率存在一定關(guān)系,在某一頻率下其聲學(xué)特性最佳。而收稿日期:2010-12-17;修回日期:20I103-25基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(5066110):中南大學(xué)研究生學(xué)位論文創(chuàng)新選題基金資助項目(20095x1082)通信作者:劉益才(1968-),男,湖南邵陽人,教授,從事熱聲熱機、斯特林制冷機、高效蓄冷蓄中國煤化工冷系統(tǒng)振動和噪聲抑制等研究;電話:13755052517;E-mail:lyccsu@csu.edu.cnCNMH中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第42卷結(jié)構(gòu)聲是回?zé)崞鳈C構(gòu)所固有的聲學(xué)特性,值得注意的是,當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生振動時是以多個模態(tài)振動。當(dāng)某個模態(tài)的固有頻率與熱聲熱機系統(tǒng)的振蕩頻率一致時究竟會對系統(tǒng)效率造成何種影響還需要進一步的研究。黃謙等以平面二維結(jié)構(gòu)只針對回?zé)崞髦械囊粔K板進行過模態(tài)分析研究,本文作者從三維空間結(jié)構(gòu)針對回?zé)崞魈畛洳牧险w由于振動所激勵產(chǎn)生的一些影響結(jié)構(gòu)聲輻射的參數(shù)進行分析。1模型建立為了更為清楚地分析回?zé)崞鲀?nèi)結(jié)構(gòu)聲輻射的產(chǎn)生圖2三維板疊的荷載分布機理,需要建立理論模型。目前所使用的回?zé)崞髦?Fig 2 Load distribution in regenerator板疊由于熱聲轉(zhuǎn)換效率高,制造較為容易,結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點被廣泛使用,而且其仿真模型也易于建立,因12動力學(xué)模型建立此,以板疊回?zé)崞髯鳛檠芯繉ο?。以前面相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)為例進行建1.1靜力學(xué)模型建立模,利用 ANSYSII0軟件建立熱聲熱機中回?zé)崞饔邢迗D1所示為回?zé)崞魅S模型回?zé)崞魍鈭A直徑為元模型。采用關(guān)鍵點生成線,線生成面、網(wǎng)格劃分面44mm,長度為40mm。板疊間距相同為1mm,板厚拉伸掃掠生成體單元等方法建立有限元模型。根據(jù)結(jié)為0.8mm的回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)模型的應(yīng)力分布、形變等物構(gòu)本身的受力情況,單元類型采用 PLANE82和SOLID95。模型總共包含29274個單元及153115個理量。充氣壓力為05MPa,由于回?zé)崞魇枪潭ㄔ跓峁?jié)點,模型網(wǎng)格劃分圖見圖3。聲系統(tǒng)中的,因此,回?zé)崞魍庵娑x為受約束面,圖2所示為其中一個模型的荷載分布。板疊的材料為鍛造不銹鋼,彈性模量E=200GNm2,密度p=7800kgm3,泊松比=0.28。該模型基于以下幾種假設(shè):()板疊處于氣體介質(zhì)中,不考慮周圍流體介質(zhì)的黏性,較之在實際流體中板疊的振動幅度衰減較慢;(2)板疊材料的物性參數(shù)如彈性模量、密度等不隨外界因素的變化而變化;(3)設(shè)板疊處于恒壓環(huán)境中。圖3 ANSYS網(wǎng)格劃分圖Scheme of ANsYS mesh2數(shù)值模擬21靜力條件下的模擬結(jié)果靜力條件下的狀態(tài)相當(dāng)于熱聲熱機工作前的充氣狀態(tài),研究該條件下的回?zé)崞魈匦杂兄诟M一步研圖1三維板疊空間模型究充氣壓力對熱聲中國煤化工Fig1 Three-dimensional model of regenerator圖4所示是用asHCNMHGEXPress第11期益才,等:熱聲板疊式回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)動力學(xué)分析3553分析向?qū)Х治瞿M的一組板厚度和板間距分別為08從圖4可以看出:板疊的應(yīng)力和形變分布趨勢基和1mm的板疊式回?zé)崞鞯膽?yīng)力和形變分布,在充氣本上是對應(yīng)的,板疊的套筒外表面受到一定程度的微壓力分別為05,06和07MPa下的回?zé)崞鲀?nèi)應(yīng)力最弱應(yīng)力,應(yīng)力和形變主要分布在套筒內(nèi)表面和板上大點的比較如圖5所示。也即表明板疊結(jié)構(gòu)聲激勵源主要是板和套筒內(nèi)表面從結(jié)構(gòu)聲輻射理論來分析,這種應(yīng)力和形變最終影響應(yīng)力(kNm5999×10回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)中的聲學(xué)特性,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)聲的產(chǎn)生,進步影響回?zé)崞髦袣怏w微團的運動。整個板疊尤其是中5.179X104769×102間板的振動模態(tài)由原來的1階振動模態(tài)逐漸變?yōu)?階,4359×102甚至3階振動模態(tài)。另外從上述模擬結(jié)果可以看出:3948×1023.538×10F2板的最大形變和應(yīng)力分部都在板的中部位置但對于整3.128×102個回?zé)崞鱽碚f最大形變和應(yīng)力并不是回?zé)崞髡虚g的2.718×1022.307×102板上,這是由于中間板的上下面受力基本趨于平衡,1897×102而與正中對稱的兩邊估計是力和本身長度綜合作用的1487×10結(jié)果。屈服力:2068×10°從圖5可以看出:隨著充氣壓力的提高,應(yīng)力最形變/n994×105大值逐漸增大,但其趨勢卻趨于平緩,圖中的點為計1.828×10算點,曲線不代表實際應(yīng)力的變化趨勢1.662×1022 ANSYS的諧振動分析329×10進一步分析回?zé)崞髟跓崧暺鹫窈蠹粗C振動作用下1163×10的各種響應(yīng)。諧響應(yīng)分析是用于確定線性結(jié)構(gòu)在承受9971×10°8.309×10°隨時間按正弦(簡諧)規(guī)律變化的載荷時穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的6.647X10種算法。利用 ANSYS軟件的諧響應(yīng)分析功能,來計4.985×10算一定材料和確定結(jié)構(gòu)在受一定頻率范圍內(nèi)周期性載324×101.162×10荷作用下的響應(yīng)情況,以定量分析結(jié)構(gòu)在持續(xù)的周期000×10載荷作用下的變化規(guī)律。分析的目的是計算結(jié)構(gòu)在幾(a)應(yīng)力分布:(b)形變分布種頻率下的響應(yīng)并得到一些響應(yīng)值對頻率的曲線。該圖40.8mm板厚回?zé)崞鞯膽?yīng)力和形變分布技術(shù)計算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)受迫振動,不考慮結(jié)構(gòu)發(fā)在激勵Fig 4 Stress and strain distribution in 0. 8 mm thickness開始時的瞬態(tài)振動。諧響應(yīng)分析是一種線性分析,非regenerator線性特性被忽略。先對模型進行了模態(tài)分析,得到了各階對應(yīng)的固有頻率。定義回?zé)崞髟谥C振管內(nèi)不受約束,諧振動分析中初始條件的選取有3個:幅值、相位角和強制頻率的范圍,根據(jù)熱聲熱機系統(tǒng)的運行條件,選取幅值為05MPa,即初始充氣壓力,相位角為0,頻率范圍根據(jù)前面的模態(tài)分析結(jié)果選為30003500Hz。分別得出了回?zé)崞髦C振動下的應(yīng)力響應(yīng)云圖和應(yīng)變響應(yīng)云圖如圖6和7所示。從圖6和7可知:應(yīng)力和應(yīng)變相對應(yīng);對比圖60.550.600.70和4可以得出:靜力下熱聲回?zé)崞鞯膽?yīng)變起主要作用充氣壓力Pa圖53組不同壓力下回?zé)崞鲀?nèi)應(yīng)力最大點的比較動力下回?zé)崞鞯膽?yīng)變是靜力和波動兩者的疊加,說明g5 Comparison of maximum stress point in regenerate了熱聲諧振時波司中國煤化工于充氣壓under three different pressures力對其的作用力HCNMHG中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版第42卷2251750.75應(yīng)變90011000224×1010452×10-10.904×10-10.136×1010.81×10-10頻耳率/Hz圖6回?zé)崞髦C響應(yīng)應(yīng)變云圖圖8低頻段板上各點隨頻率的位移變化Fig 6 Cloud picture of harmonic strain response inFig8 Variation of displacements for points with1.6應(yīng)力(Nm2)0.360.370.731.091.461.822.192.552.9232800031003200330034003500頻率/Hz圖7回?zé)崞髦C響應(yīng)應(yīng)力云圖圖9固有頻率段A點隨頻率的位移變化Fig7 Cloud picture of harmonic stress response inFig9 Variation of displacements for point A atregeneratornatural frequency進一步研究了板疊回?zé)崞靼迳弦恍┨厥恻c的振動波產(chǎn)生的一個重要原因。響應(yīng)情況。以點0,0,0.02)為中心建立三維坐標(biāo)系選取從圖9可以看出:該回?zé)崞鞯?階固有頻率為的4個點的坐標(biāo)分別為點A(0,0,0.02),B(0,0,0),C(0,3380H,這與模態(tài)分析的結(jié)果相對應(yīng),故在這個頻0,0.04)和D(O,0.019918,0.02)。得到4個點關(guān)于頻率率下回?zé)崞鞴?jié)點的應(yīng)力和應(yīng)變最大,回?zé)崞鬟_到共振。的y方向位移變化,結(jié)果如圖8所示。分析了A點即但就一般熱聲系統(tǒng)而言,系統(tǒng)工作時的諧振頻率并沒中間板的中心點在一階固有頻率附件的位移隨頻率的有這么高,究其原因可能和諧分析本身是對于線性結(jié)變化,結(jié)果如圖9所示。構(gòu),忽略了系統(tǒng)非線性以及計算過程中受到計算機精從圖8可以看出:不同頻率作用下,回?zé)崞靼迳隙鹊仍蛟斐傻母鱾€點的位移變化相差不大,并且隨著頻率提高,位移變化越來越小。隨著頻率的進一步提高,板上不同點的位移變化相差越來越大,說明在高頻段回?zé)崞鞲?結(jié)論個點受到振動的影響各異,因此,反過來在高頻熱聲熱機工作狀況下板對振動的影響也會出現(xiàn)較大差異(1)對熱聲系化,這可能是高頻熱聲熱機工作下不穩(wěn)定性和多次諧諧相應(yīng)等一系列HH中國煤化工了靜力和CNMHG度去探討第11期劉益才,等:熱聲板疊式回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)動力學(xué)分析3555熱聲系統(tǒng)中回?zé)崞髡{(diào)相的機理。以板疊回?zé)崞鳛槔?[劉益才,張明研,黃謙,等.熱聲熱機板疊式回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)數(shù)值建立了其靜力和簡諧力作用下的物理模型,得出回?zé)嵊嬎汩T中南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2010,41(3):116-1189器的應(yīng)力應(yīng)變及其在回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)內(nèi)的分布。LIU Yi-cai, ZHANG Ming-yan, HUANG Qian, et al. Numerical2)從應(yīng)力一應(yīng)變云圖可以看出:回?zé)崞髟跓崧曄到y(tǒng)的振動存在多種模態(tài),模態(tài)的存在是產(chǎn)生熱聲諧波的一個根本原因,這取決于回?zé)崞鞅旧淼穆暯Y(jié)構(gòu)特性。Science and Technology, 2010, 41(3): 1186-1189[8]劉益才楊智輝,劉振利,等.熱聲熱機諧振管截止頻率選擇(3)回?zé)崞髟诤喼C力響應(yīng)下,其板上各點在低頻機理門]中南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2006,37(4):759762段應(yīng)力一應(yīng)變基本吻合,高頰段差異逐漸增大,在固LIU Yi-cai, YANG Zhi-hui, LiU Zhen-li, et al. Mechanism of有頻率附近位移出現(xiàn)明顯峰值。cutoff frequency of resonator tube in thermoacoustic engine](4)低頻段回?zé)崞鲀?nèi)各點的動力響應(yīng)基本Journal of Central South University: Science and Technology,致,在此工況下熱聲系統(tǒng)內(nèi)振動易達成一致,不會產(chǎn)2006,37(4):759762生較多雜波,隨著頻率的提高,各點對振動的差異逐⑨] Cheng b,JT. Experimental investigation on the onset and漸增大,這將導(dǎo)致熱聲的不穩(wěn)定性和雜波等對輸出功的影響。mover[]. Cryogenics, 1999, 39(10): 843-846.[10] Dai W, YuG Y, Zhu S L, et al. 300 Hz thermoacoustically drivenpulse tube cooler for temperature below 100 K[]. Applied參考文獻Physics Letters,2007,90(2):104-124.[ll] Chen G B, Jiang J P, Shi J L. 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