基于热声效应数值模拟的热声制冷机设计研究

论文摘要

低温制冷领域，随着科技发展使得产品不断高效小型以及环保的同时提出的制冷新要求，热声制冷技术得到很大的发展空间。本文致力于具有大功率、小体积、高声强声源特点的磁致伸缩换能器驱动的热声制冷机的设计研究。首先阐述了热声制冷技术的研究背景及其研究意义，包括热声制冷的历史发展、现状研究和前景展望；罗列了热声效应的基础理论和实现原理。介绍了热声制冷机及其关键部件的设计原理，为热声制冷机的性能研究提供了理论基础。在此基础上确定了研究思路，制订了工作方案。同时对涉及到的流体仿真简单介绍了其基本理论与所用到的计算流体力学数学模型。本文重点研究了数值模拟热声制冷的过程，整个模拟分成两部分进行，包括模态分析和流场分析。模拟出热声制冷过程的同时对结果进行分析和讨论，通过直观的由点到面，由面到体的渐进方式详细分析了流体内的流动情况，呈现出热声效应过程中管内流体的参数变化情况。进一步提出数值模拟优化思想，为优化制冷机相关参数设定提供了方法。详述了CFX模拟热声效应的方法以及具体过程，避免根据实际问题建立控制方程的复杂过程，只要确定了实体几何模型及边界与初始条件，就可以研究此工况下的热声效应，找到热声效应多维模拟的方法。通过计算实现了流固耦合分析的整场模拟，可以得到谐振管内部流场不同时刻的详细数据，实现内部流场的可视化。说明模拟谐振管内声场分布情况是可行的，可以用来预测谐振管内声场分布或者验证实验的可靠性课题的模拟过程及结果实现了热声效应的三维仿真，为实验室原有不同型号的制冷机的改进提供了参考，以及对进一步制造出高效、小体积的磁致伸缩器驱动的制冷机打下基础。谐振管内流体与换热板上的温度变化验证了热声效应。同时也说明CFD方法对热声系统进行数值模拟的可行性，使其有望成为深入研究热声系统内部物理过程和指导优化设计的有力工具。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题研究意义
• 1.3 热声制冷技术的发展历史及现状
• 1.3.1 热声学发展的历史
• 1.3.2 热声理论的应用
• 1.4 应用前景展望
• 1.5 本论文主要研究工作
• 2 热声制冷机理分析
• 2.1 热声学理论基础
• 2.1.1 热力学基础
• 2.1.2 流体定律
• 2.1.3 理想气体参数
• 2.2 热声理论的研究
• 2.2.1 交变流动理论
• 2.2.2 相移理论
• 2.2.3 N.Rott 经典线性热声理论
• 2.2.4 板叠近似层线性热声理论
• 2.3 本章小结
• 3 热声制冷机设计
• 3.1 热声制冷实现过程
• 3.2 热声制冷机部件设计
• 3.2.1 声发生器
• 3.2.2 共振管
• 3.2.3 换热器
• 3.2.4 板叠
• 3.3 本章小结
• 4 热声制冷效应数值模拟分析基础
• 4.1 软件介绍
• 4.1.1 有限单元法和有限体积法
• 4.1.2 ANSYS 12 及其Workbench 平台
• 4.2 模态数值分析及ANSYS 实现
• 4.3 流体数值分析及CFD 实现
• 4.3.1 流体力学基本理论
• 4.3.2 湍流方程及模型
• 4.4 本章小结
• 5 热声制冷机结构数值模拟分析研究
• 5.1 数值模拟分析目的
• 5.2 谐振腔模态分析
• 5.2.1 建立模型
• 5.2.2 网格划分
• 5.2.3 求解设置及结果分析
• 5.3 热声制冷数值模拟
• 5.3.1 模拟思路
• 5.3.2 模型建立
• 5.3.3 网格划分
• 5.3.4 求解设置
• 5.3.5 流场瞬态分析
• 5.3.6 计算结果及讨论
• 5.4 优化数值模拟
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 在学期间研究成果
• 致谢