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热声系统振荡流换热器的特性点击：1781 日期：[ 2014-04-26 21:14:33 ] |
| 热声系统振荡流换热器的特性 刘明方１，吴 锋１，２，杨志春１，２，王 军１ （１．武汉工程大学机电工程学院，湖北武汉４３００７４；２．海军工程大学研究生院，湖北武汉４３００３３） 摘要：利用波动理论建立双向时滞模型，以研究圆孔结构和平板结构换热器微通道中温度波的振荡特性．结果表明，温度波的振幅随着无因次时间准数ωτ值的增大而减小；在流道中心，其振幅随着的增大均有一个先增大后减小的过程，并且平板结构换热器的性能要优于圆孔结构换热器；为了提高换热器的换热性能，圆孔结构一般设计，平行板结构一般设计 关键词：热声；振荡流；换热器；弛豫时间；温度波 中图分类号：ＴＢ１３１ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－２８６９．２０１１．１０．０１８ 文章编号：１６７４２８６９（２０１１）１０００７７０４ ０·引 言 热声热机是一种热能转换装置，主要的部件有冷（热）端换热器、回热器和谐振管等［１］．其中，换热器用于调制回热器两端温差，其换热性能对整机工作性能有很大影响． 上世纪末研究人员对热声热机换热器的振荡流进行了研究．其中具有代表性的是宾夕法尼亚大学的Ｗａｋｅｌａｎｄ和Ｋｅｏｌｉａｎ［２－４］．他们研究了无回热器热声系统中换热器的性能，然后利用与时间相关的非均匀速度分布层流振荡模型，测量了相邻独立平行板换热器在振荡流情况下换热量与换热效率．然而，热声领域对振荡流换热器［５－６］的研究依然属于摸索阶段，并没有一个成熟的理论体系． 热声过程是在微小区域内发生的波动和扩散的综合效应［７］，用传统的热力学观点［８］是无法解释这种过程的，在这里，弛豫时间也就尤为重要．因此将弛豫时间引入到换热器的理论研究中是非常必要的． 利用波动理论建立双向时滞模型，以研究圆孔结构和平板结构换热器微通道中温度波的振荡特性，并分析扰动温度分布的特性．同时，研究水力半径及热渗透深度对换热器传热效果的影响．所得结论对热声系统中换热器设计具有一定理论指导意义． １·振荡流温度波特性分析 考虑双向时滞模型，热声系统的动量方程和能量方程可写为： 换热器的纵向温度和压强不变，故纵向温度梯度为０．则式（１）可变为： 对于小振幅热声现象，对上式进行泰勒展开，取一级小量，误差可控制在４％范围以内，故式（２）可线性化为： ２·数值算例 图１给出了两种结构换热器振荡中温度沿着流道中心到固体壁的分布示意图． 从图１中可以看出温度振荡的幅值的实部和虚部的绝对值在靠近固体壁的附近有一个明显的衰减过程；并且平行板换热器的振荡温度要高于圆孔换热器的振荡温度． 从图２中可以看出，温度波的振幅在流道中心随着ｗτ的增大而不断的减小．因为随着ｗτ的增大，温度波从以波动为主变为以扩散为主． ３·结 语 在振荡流换热器中，沿固体壁的纵向温差和气体振荡造成温度扰动，形成温度波，它兼有波动和扩散的双重特性．在微型热声热机系统中，弛豫时间对温度波的振荡特性有很大的影响．本文利用波动理论建立双向时滞模型，研究圆孔结构和平板结构换热器微通道中横向温度波的振荡特性，结果表明： ａ．温度波的粘性弛豫时间和导热弛豫时间对其振荡特性有很重要的影响．随着ｗτ的增大，温度波的振幅减小，温度波从以波动为主变为以扩散为主． ｂ．温度波的振幅在流道中心随着的增大有一个先增大后减小的过程，水力半径不变，热渗透深度越大，温度波取得幅值的点离流道中心越近，传热效果越好，为了提高换热器的性能，圆孔结构一般设计，平行板结构一般设计 ｃ．相同条件下，平板结构换热器的性能要优于圆孔结构换热器． 参考文献： ［１］王军，吴锋，杨志春，等．热声谐振管压比影响因素的数值模拟［Ｊ］．武汉工程大学学报，２０１０，３２（１２）：８０－８３． ［２］Ｗａｋｅｌａｎｄ Ｒ Ｓ，Ｋｅｏｌｉａｎ Ｒ Ｍ．Ｔｈｅｒｍｏａｃｏｕｓｔｉｃｓ ｗｉｔｈｉｄｅａｌｉｚｅｄ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ ａｎｄ ｎｏ ｓｔａｃｋ［Ｊ］．Ｊ ＡｃｏｕｓｔＡｍ，２００２，１１１：２６５４－２６６４． ［３］Ｗａｋｅｌａｎｄ Ｒ Ｓ，Ｋｅｏｌｉａｎ Ｒ Ｍ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｖｅｌｏｃｉｔｙｐｒｏｆｉｌｅ ｎｏｎｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｏｎ ｍｉｎｏｒ ｌｏｓｓｅｓ ｆｏｒ ｆｌｏｗ ｅｘｉｔｉｎｇｔｈｅｒｍｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ［Ｊ］．Ｊ Ａｃｏｕｓｔ Ａｍ，２００２，１１２（４）：１２４９－１２５２． ［４］Ｗａｋｅｌａｎｄ Ｒ Ｓ，Ｋｅｏｌｉａｎ Ｒ Ｍ．Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆｐａｒａｌｌｅｌ－ｐｌａｔｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅｒｍｏａｃｏｕｓｔｉｃｄｅｖｉｃｅｓ［Ｊ］．Ｊ Ａｃｏｕｓｔ Ａｍ，２００４，１１５（６）：２８７３－２８８６． ［５］林纬，喻九阳，吴艳阳，等．横纹管脉冲流流动与换热数值分析［Ｊ］．武汉工程大学学报，２０１１，３３（５）：８９－９３． ［６］汪威，喻九阳，杨侠．波节管脉冲流强化对流换热数值分析［Ｊ］．武汉工程大学学报，２０１０，３２（３）：８９－９１． ［７］阚绪献．热声微循环和热声器件的热力学寻优［Ｄ］．武汉：武汉海军工程大学，２０１０． ［８］何东开，冯其明，张国范，等．石煤空白焙烧过程热力学分析［Ｊ］．武汉工程大学学报，２０１０，３２（１１）：４６－４９． ［９］郭方中，李青．热动力学［Ｍ］．武汉：华中科技大学出版社，２００７． ［１０］董凯军．热声系统的网络模拟及其实验研究［Ｄ］．武汉：华中科技大学，２０００．本文编辑：陈小平 |
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