Rijke管热声效应及热声制冷机的数值模拟

Rijke管热声效应及热声制冷机的数值模拟

论文摘要

本文运用CFD数值模拟的方法对热声效应的发生及发展机理进行了比较全面的研究。首先建立理论模型,给出了热声效应的流动与传热数学模型,包括一般形式的连续性方程、动量方程和能量方程,以及状态方程,非稳态、可压缩的标准k-ε湍流模型,多孔介质内部的流动传热模型等。然后选取Rijke管为研究对象,详细研究了Rijke管中热声现象的起振过程、极限周期振荡过程。对数值计算的结果进行了相位分析以及频谱分析,对热声效应激发出的声信号进行了能量分析。之后给出了Rijke管内以压力为代表的物理参数的空间分布云图的周期性脉动体现。作为热声效应的一个应用,选取热声制冷为研究对象,具体设计了一个热声制冷机模型,并用数值计算的方法对其进行了模拟,得到了比较明显的制冷效果。之后又对该模型进行了外形上和内部换热装置结构上的两次改进,对计算结果进行了比较细致的分析,重点对优化后模型的换热装置附近的流场进行了研究。研究结果表明,模型内部温度的变化都是在波动中升高或降低的,体现出压力的波动对温度等参数的影响作用。热声制冷机的换热部件是其关键的工作部件,对换热器和回热器结构的改进可以对制冷效果进行大幅的提升,管的外部形状的改变能够对制冷效果产生一定的影响,但是并不特别明显。内管两端口附近区域流场漩涡周期性生成和破碎是热声制冷机泵热的关键所在。本文的研究对于深入理解热声效应的机理,以及热声效应的实际应用、热声制冷机的研制具有一定的指导意义。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 主要符号表
  • 第1章 绪论
  • 1.1 热声现象及其装置
  • 1.1.1 热声现象
  • 1.1.2 热声现象的装置
  • 1.2 RIJKE 管中的热声现象的数值模拟研究
  • 1.3 热声现象的应用-热声制冷技术的数值模拟研究现状
  • 1.4 本文主要研究内容
  • 第2章 热声效应的流动与传热理论
  • 2.1 RIJKE 管热声过程的流动与传热基本方程
  • 2.2 声波制冷过程的数学模型
  • 2.3 多孔介质内部流动与换热的数学模型
  • 第3章 RIJKE 管热声现象的数值模拟
  • 3.1 模拟对象
  • 3.2 数值计算方法与初边值条件
  • 3.2.1 数值计算方法概述
  • 3.2.2 对热源的处理
  • 3.2.3 计算的实施与初边值条件
  • 3.3 模拟结果及分析
  • 3.3.1 起振过程
  • 3.3.2 极限周期振荡
  • 3.3.3 相位分析
  • 3.3.4 利用Fourier 变换进行频谱分析
  • 3.3.5 参量空间分布及周期云图
  • 第4章 热声现象的应用-热声制冷机模型
  • 4.1 模型描述
  • 4.2 数值计算方法与初边值条件
  • 4.3 结果及分析
  • 4.4 热声制冷机模型的改进
  • 4.4.1 外部形状的改进
  • 4.4.2 内部换热部件结构的改进
  • 4.5 改进后模型的板叠附近流场分析与泵热机理讨论
  • 4.6 结论
  • 第5章 全文总结与展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录
  • 详细摘要
  • 相关论文文献

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