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2、国科学院低温工程学重点实验室(理化技术研究所),北京100190;2.中国科学院研究生院,北京100049)摘要:以驻波型热声制冷机的回热器作为研究对象,通过对二维可压缩形式的连续性方程,N—S方程,能量方程和理想气体状态方程的数值求解,得到了热声核区域内工作介质的能流密度矢量和能量迹线云图.结果表明:在轴向方向上影响能量传递的主要因素为气体的热传导项.关键词:热声;回热器;能流密度矢量NumericalinvestigationofthestackinthethermoacousticrefrigeratorGao
3、Gang一,XieXiujuan,LiQing,ZhaoShuang’(1.KeyLaboratoryofCryogenics,TechnicalInstituteofPhysicsandChemistry,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China;2.GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)Abstract:Thestackofthestanding—wavethermoacous
4、ticrefrigeratorwasstudied,thehydro—andthermodynamicalprocessesnearandwithinathermoacousticcoupleweresimulatedandanalyzedbynumericalsolutionofthecompressibleNavier—Stokes,continuity,andenergyequationsforanidealgas,concentratingonthetime—averagedenergyfluxdensity
5、inthegas.Energyflowdensityvectorandenergyflowdensitytracecloudwereobtainedwithincomputationaldomain.Themaineffectofen—ergytransferintheaxialdirectionwastheheatconductionterm.Keywords:Thermoacoustic,Stack,Energyflowdensityvector1引言研究学者通过对热声发动机和热声制冷机研究的结果表明:热声热机在
6、一定的温度梯度条件下,声波与内部固体结构(例如回热器和热交换器)相互作用,从而产生声功或者消耗声功产生制冷(或热泵)效应,这些过程都是基于热声效应而产生的.通过满足适当条件下的压力和速度振荡相位关系,以完成可压缩流体介质与固体附近进行的微观热力学循环.对于热声设备中流体流动和传热过程的描述,经典的热声理论都是基于一阶(Rott方程)线性方程,但是回热器和换热器的存在所造成流道截面积的突变,必将影响工作介质的流动和传热特性,热声核截面温度分布不均匀,流动的不确定性等现象都很难用线性热声理论加以解释;此外,由于系统压比的
7、不断增加,进口效应和湍流传捩的结合(如周期内湍流猝发)渐渐超出了线性理论的适用范围.这些复杂的可压缩流体流动和传热过程决定了热声热机的工作状态,遗憾的是,目前还不能从理论上完全解释这些复杂的过程.Swirl系统地回顾和总结了热声发动机和热声制冷机,提出了较为完善的一阶热声理论模型.Tijani从应用角度出发,提出了扬声器驱动热声制冷机的设计方法.他所设计的热声制冷机目标为:在压比为3%的情况下,达到了一65℃的低温.压比的物理意义为:在谐振管内,压力反节点处的压力波动值与平均压力的比值,压比对于热声制冷机是一个非常重
8、要的参数.2005年,罗二仓等人采用聚能型行波热声发动机驱动无气库的惯性管型脉冲管制冷机,在工作频率91Hz,平均压力2.045MPa,压比为1.212时,达到了75.1K的无负荷制冷温度,首次突破液氮温区,目前他们的单级脉冲管可以达到68.收稿日期:2011—03—10基金项目:国家自然科学基金资助项目(50806081).作者简介高岗(19
