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1、第6期(总第199期)机械工程与自动化No.62016年12月MECHANICALENGINEERING&AUTOMATIONDec.文章编号:1672-6413(2016)06-0023-03壁面边界温度对指数管内声场的影响﹡冯和英1,彭叶辉2(1.湖南科技大学机械设备健康维护湖南省重点实验室,湖南湘潭411201;2.湖南科技大学数学与计算科学学院,湖南湘潭411201)摘要:采用计算流体力学软件Fluent对10组不同壁面边界温度情况的谐振管的形状参数m=2.2型指数管内二维非线性声场进行了模拟研究,探索了壁
2、面边界温度对指数管内声场的影响。研究分析了不同壁面边界温度下管内声压和压比的变化规律,发现管内声压最大和压比最大的情况分别出现在不同的壁面边界温度条件下,但当上、下壁面边界温度均为328K时,指数管封闭端能同时获得较大声压幅值和压比。关键词:指数管;壁面边界温度;声压;压比中图分类号:TP391.7文献标识码:A0引言s(x)=s0exp(2mx／L)0≤x≤L.(1)热声谐振管是热声制冷机的重要部件之一,它维其中:s为封闭端面积,s-52;L为谐00=5.0265×10m持系统所需的频率并为系统储存声能,其几何参
3、数的振管长度,L=0.2m;m为谐振管的形状参数。由于变化会改变振荡压力幅值和相位,对热声系统的工作指数型谐振管为轴对称管型,此处只是为了便于描述[1]性能有重大影响。谐振管内声场稳定之后能达到的而将x轴方向壁面边界分为上、下两部分,Tw1、Tw2分最大声压幅值以及压比是声场以及热声制冷机的重要别表示指数管上、下壁面边界的温度。图1为指数型性能指标,在相同的条件下,两者的数值越大对于热声谐振管示意图。制冷机的性能提升越有利。[2-5]众多研究发现,变截面谐振管可以提高管内声压幅值以及压比,指数管作为变截面管的一种,
4、其内[6]部的声流场也受到广泛关注。刘丹晓等利用伽辽金法对双曲形、指数形、锥形以及圆直形管的非线性一维声场进行了数值模拟分析,揭示了指数管在提高压力[7-8]及压比方面的优越性。冯和英、彭叶辉等得到了活塞驱动的指数型谐振管压力和压比的近似表达式,并计算获得了具有更好性能的指数管形状参数。然图1指数型谐振管示意图而,对指数管的数值模拟研究大多基于一维模型,难以文献[8]的结论显示,形状参数m=2.2的指数管获得更准确的非线性声场信息。管型最优,故物理模型采用m=2.2型指数管进行分MuratK.等[9-10]利用基于
5、控制体积法的FCT算析。气体震荡由右端的活塞做简谐振动引起,右端驱法对直圆柱型谐振管在不同边界温度下的管内声流场动端给定交变速度关系可认为u=u0sinωt,其中活塞进行了模拟研究,研究发现横向的温度梯度对谐振管振动的速度幅值u0=0.652m／s,驱动角频率ω=内的声场有很大的影响。但是对于在指数型谐振管5658.63rad／s。初始状态时,管内充满未受扰动的空中,壁面边界温度对管内声场的影响尚不明确。气,初始压力p0=101325Pa,声速c0=340m／s,动力黏度系数μ=1.86×10-5本文采用Fluen
6、t软件对指数型谐振管内的二维kg／(m·s),比热容比γ=非线性声场进行了模拟计算,研究了壁面边界温度对1.4(比热容比一般指气体的定压比热容Cp与定容比指数管内声场的影响,获得了声压及压比均较高的壁热容Cv的比值,即γ=Cp／Cv)。面温度,为高效热声制冷系统的设计提供参考和依据。1.2计算模型设置1计算模型采用专业网格划分软件Gambit进行二维模型的1.1物理模型建立以及网格划分。网格采用非结构三角形网格,歪根据文献[11]的研究结果可知,渐缩型指数管能斜度尺寸不超过0.24。选择速度入口边界,在Fluent
7、强化声振动,所以本文的物理模型选用大端活塞驱动、中编写UDF来体现活塞简谐振动过程,入口初始温小端刚性封闭的指数型热声谐振管。谐振管截面积s度设置为288K。除驱动端设置为速度入口边界外,与轴向长度x的关系为:其余均为绝热无滑移壁面条件。流体工质选择空气,密度采用理想气体格式。考﹡国家自然科学基金资助项目(51405157,51476052);湖南省教育厅项目(14C0433)收稿日期:2016-07-12;修订日期:2016-09-08作者简介:冯和英(1983-),女,湖南湘潭人,讲师,博士,研究方向:机械动力
8、学与控制。·24·机械工程与自动化2016年第6期虑到管内流动高精度和交变特性,在计算中选择压力如图2所示。基隐式求解器、二阶不定常时间隐性差分、基于节点求梯度模式。采用k-ω湍流模式中的SST模型。求解算法采用PISO速度压力邻近修正算法,离散格式中压力项选择PRESTO!格式,其余均选二阶迎风格式。迭代步长取1／32周期时间,即迭代时间步长t=-53.4
