近临界区CO2对热声谐振管性能的影响分析.doc

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1、中国工程热物理学会学科类别：工程热力学与能源利用学术会议论文编号：131296近临界区CO2对热声谐振管性能的影响分析金滔，杨睿，汤珂资助项目：国家自然科学基金（51276154）。（浙江大学制冷与低温研究所，杭州310027）(Tel:0571-87953233,Email:jintao@zju.edu.cn)摘要：谐振管是热声热机的主要部件之一，减小声功在谐振管中的耗散对提高热声热机输出特性具有积极意义。由于近临界区流体的热物性比较特别，用其作为工质时将会对谐振管内的损耗产生重要影响。本文对声波在以近临界区CO2为工质的谐振管中的损耗情况进行了计算和分析。结果显

2、示在本文的计算条件下，相较于较低压的CO2，采用近临界区CO2作为工质可降低声功在谐振管中的损耗平均值。但是，并不是越接近临界压力，声功在谐振管中的损耗平均值越小，实际上，压力略低于临界压力时，损耗平均值会更小。此外，在在保持谐振频率的情况下，采用近临界区CO2作为工质可一定程度上缩短谐振管的长度。关键词：热声热机；近临界区；CO2；谐振管0前言热声热机是一种利用热声效应实现热能和声能相互转化的热力机械，具有环保、无运动部件等突出优点。从本质上看，热声热机是热声板叠与流体间的传热过程配合流体中的传热与流动过程，通过一定的相位关系而实现从热能到声能转变或者消耗声能实现

3、泵热。由热声理论可知，其中两个非常重要的参数是工质的热渗透深度和粘性渗透深度[1]。热渗透深度是一个振荡周期的时间内热量穿过流体的扩散距离，热声效应正是在板叠固壁周围的薄层中产生。粘性渗透深度是一个振荡周期的时间内粘性扩散的距离，是动能损失的原因。提高热渗透深度和减小粘性渗透深度对于提升热声热机的功率有重要意义，可以通过选用合适的工作介质和工作参数来实现。现有的热声系统通常采用远离临界区域的气体或者液体作为工质。考虑到流体在近临界区的物性具有非常独特的特征，某些热力学性质（密度、压缩系数、膨胀系数和声速等）和传输性质（粘度、导热系数和扩散率等）随温度和压力变化比较敏

4、感，会出现显著变化甚至剧变[2]。如果将这一区域的工质应用于热声系统，将可能会对热声转换过程产生直接影响。谐振管是热声热机的主要部件之一，声功在谐振管中的耗散情况对热声热机的效率有很大影响。本文将从这一角度出发，以CO2为例，通过计算对近临界区工质是否有利于减弱声功在谐振管中的耗散进行分析。1近临界CO2的热物性特征CO2的临界温度是304.13K，临界压力是7.38MPa[3]。近临界区CO2的密度远大于远离临界点的气态CO2。如图1和图2所示，其具有更大的导热系数和更小的运动粘度，且在临界点附近会出现突变。粘性渗透深度与运动粘度成反相关，因而近临界区CO2具有更

5、小的粘性渗透深度。这有利于减小粘性造成的声功损耗。图1近临界区CO2的导热系数[4]图2近临界区CO2的运动粘度[5]2模拟方法取一段等直径圆管，在管内充入一定压力的CO2，并在一端输入一固定的声波，对管的前6米进行计算分析。虽然驻波型热声热机的谐振管长度多接近半波长或四分之一波长，但可利用上述模型对谐振管内声功损耗情况进行分析。图3为典型半波长的驻波型热声发动机系统图。图3半波长的驻波型热声热机以7组不同工作压力的CO2作为工质，计算声功的损耗情况。这7组CO2的温度均为临界温度304.13K，平均压力分别取2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa、7MP

6、a和7.3MPa。圆管直径取40mm。其余计算参数如下表所示。表1部分计算参数f(Hz)T(K)p1(Pa)U1(m3/s)35304.13(CO2临界温度)1000000.0005-0.004i表1中，f为工作频率，T为温度，p1为压力振幅，U1为体积流速振幅。上述参数的取值参考自对驻波型热声热机谐振管入口参数的计算结果。对于一段谐振管的微元管段，流体的运动情况可用下述方程组描述[6](1)(2)式（1）为动量方程，式中p1,ω,ρm,U1分别为压力振幅、角频率、平均密度、体积流速振幅。dx为微元管段的长度。A为圆管截面积。fν为与管道几何形状有关的粘滞函数。i是

7、虚数符号。式（2）为连续性方程，式中γ,pm分别为比热比和平均压力。fκ为与管道几何形状有关的热函数。声功损耗的计算式如下[6](3)式中，rν是单位长度的粘性流阻，rκ是单位长度的热弛豫阻。上式右侧的第一项表示由流体粘性引起的声功损耗，称作粘性耗散；第二项表示由热弛豫引起的声功损耗，称作热弛豫耗散。rν、rκ、fκ和fν的计算式如式（4）至（7）所示[6](4)(5)(6)(7)(8)(9)式中rh是水力半径，δκ为热渗透深度，δν为粘性渗透深度，κ是热扩散率，ν是运动粘度。利用MATLAB通过式（1）至（9）对上述模型进行计算。所需的物性调用美国国家标准与技