基于Fluent的热声元件特性研究

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DeltaE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Fluent数值模拟的方法对问题进行研究。为了检验采用Fluent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Fluent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Fluent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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 热声效应及其应用
• 1.2 课题背景及意义
• 1.3 热声技术的国内外发展现状
• 1.3.1 热声技术的试验研究
• 1.3.2 热声理论的研究进展
• 1.4 本文拟研究的问题
• 1.5 本文主要内容概要
• 第2章 热声热机的微热力学循环
• 2.1 管内一维平面波
• 2.2 声波传播产生热声效应的热力学分析
• 2.3 热声热机的结构及工作原理
• 2.3.1 热声热机的结构
• 2.3.2 热致声原理
• 2.3.3 声致冷原理
• 2.4 参与热力循环的有效气体层
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于Fluent的热声系统声场模拟的可行性研究
• 3.1 概述
• 3.2 Fluent6.02简介
• 3.3 谐振管内声场流动的特点
• 3.3.1 交变流动
• 3.3.2 谐振管内声场分布特点
• 3.4 计算模型选择及边界条件设置
• 3.4.1 计算模型选择
• 3.4.2 边界条件设置
• 3.5 谐振管内驻波声场模拟验证
• 3.5.1 直管内压力、速度分布模拟验证
• 3.5.2 容性封闭谐振管内压力分布模拟验证
• 3.6 与实验相结合的模拟验证
• 3.6.1 实验平台介绍
• 3.6.2 建模及网格划分
• 3.6.3 模拟计算内容
• 3.6.4 模拟结果及分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 异型谐振管内的声场研究
• 4.1 引言
• 4.2 特殊形式的波动方程
• 4.3 变截面管数值分析
• 4.3.1 模型建立
• 4.4 几种变径管的截面变化规律及管内声场分析
• 4.4.1 锥形管形变径管
• 4.4.2 指数形变化变径管
• 4.5 异型管对压力分布影响的研究
• 4.5.1 锥形管管内压力分布
• 4.5.2 指数管内压力分布
• 4.6 本章小结
• 第5章 回热器的流动特性研究
• 5.1 概述
• 5.2 初步模型设计
• 5.2.1 气体工质选择
• 5.2.2 气体平均压力及驱动压比的选择
• 5.2.3 工作频率的选定
• 5.2.4 回热器板叠设计
• 5.2.4.1 板叠形式
• 5.2.4.2 板叠间距选择
• 5.2.4.3 板叠中心位置及长度选择
• 5.3 物理模型简化设计
• 5.4 模拟结果及分析
• 5.4.1 回热器内压力与速度分布的特点
• 5.4.2 高频回热器交变流动阻力探讨
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢