毕业论文（设计）热声热机换热器的基本换热特性研究

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1、热声热机换热器的基本换热特性研究摘要基于弱非线性热声理论，对热声换热器的基本换热特性进行了理论分析。在前人研究基础上,增加了换热器内纵向温度梯度的影响，获得了二阶周期平均热流的解析表达式，并定义了适合表征热声换热器换热特征的无戢纲换热戢。计算分析了无量纲参数声导率Ya,对流与压缩性比F,动态雷诺数Rew对换热器时均换热量的影响。分析表明，换热器产生时均吸热还是时均放热特性主要由临界声导率幅值决定，存在时均纵向温度梯度时，还取决于Res声导率的和位角对吋均热流的影响相对较小，但英影响会随着

2、「

3、利

4、Ya

5、的増大而增大；

6、『

7、的存在増强了换热；存在临界的

8、Rew值使得二阶周期平均热流取得极值。木文所定义的无量纲换热量能合理表征换热器换热特性，表明只冇在流道尺度和声场条件合适的情况下，换热器才能进行冇效的吸放热，这与实际换热器相符；对热声换热器基本换热特征的研究将为进一步考察其实际复杂工作机理提供理论指导。关键词热声换热器平行平板流道二阶周期平均热流纵向温度梯度0前言热声热机是基于热声效应工作的，因其无运动部件、结构简单、工质无污染、可靠性高、能利用低品位能源等优点而受到了很多研究者的重视。热声热机的关键热力部件包括换热器和回热器，其中换热器使回热器的两端形成温度梯度，实现系统与外界的热量交换，以维持热

9、声效应。然而，由于交变流动本身的复杂性和多样性，至今我们对交变流动与换热规律的认识与稳态换热相比仍相差甚远。热声换热器由两部分组成，一部分是外界热源用以提供换热器所需的外部工作环境，一部分是系统内部的交变流动工作流体，换热器的换热效果由这两部分耦合决定。本文将针对内部流体的换热进行理论分析。内部工作流体多采用惰性气体，在热声系统工作过程屮，所有状态参数与流动参数都是波动的，换热过程尤为复杂⑴現热声换热器小的热量交换是由动态换热和二阶的周期平均换热两部分组成，对于动态换热，其吋变热流的周期平均值为零⑷，不能直接表征换热器的换热性能。在热声系统中，我们更

10、关心的是周期平均能量转换效应，対二阶的时均换热研究属于非线性热声动力学范畴。通过对热声系统的能流分析ilj知⑸:不论声波振幅大小，热能与声能转换本质上是非线性的，而热声转换正是依赖于这种非线性效应而工作的，即对于热声系统而言，能量转换必须要考虑二阶周期平均效应。基于此已有研究中冋釆用的理论分析模型将换热器视为无限等温流道，并着重分析了声导率对换热器的彫响。但是，实际换热器的长度只有约两倍当地流体振荡位移幅度，存在显著的时均温度分布以及进出口效应。为简单起见，本文首先考察时均温度梯度的影响，对换热器基本换热特性做更深一步的考察，进出口效应等强非线性问题

11、的研究将作为后续进一步的研究内容。基金项目：中科院低温工程学重点实验室青年科技创新项目(CRYOQN201301)国家自然科学基金(51276186)本文以弱非线性热声理论为基础，从原始的能量守恒方程出发，获得了考虑纵向温度梯度影响的平行平板换热器的二阶周期平均热流的解析表达式，并对其进行了无量纲化，主要考察了动态雷诺数Rew，当地声导率Ya以及对流与压缩性比「对无量纲二阶周期吋均热流®o的影响，分析获得了热声换热器的一些基本换热特性。与以往采用稳态分析方法引入努谢尔数定义來强行关联时均换热与时均温差不同，本分析方法基于基本的热声效应，能从机理上更为

12、准确地分析交变流动换热器的换热特性。1、二阶周期平均热流的解析解对能量守恒方程的微分形式进行截面积分与吋均运算，获得含有壁面换热量的吋均能量方程如下所示：其中，X为声传播方向，代表X方向的焙流；（呼代表X方向的动能流,为三阶量，可忽略（常用换热器中的速度幅值一般在10m/s量级，相较于时均焙流可忽略，如速度达到呃/S量级，或变截面附近则需要谨慎处理）；曰氏指粘性力做功，为三阶量，可忽略；（-k釜）。代表x方向的导热，气体导热系数较小，与时均熔流的变化相比一般可忽略；Q。代表流体壁面的时均热流。因此，对于换热器，流体壁面的时均热流就近似等于流道进岀口的

13、时均焰流差。ddxdT（零）。_（于臥+（+知卜+=°dx(1)根据线性热声理论，无限长流道内存在时均温度梯度时的速度波动、压力波动以及温度波动都可获得解析解工，将这些解析表达式代入（1）式中，焙流周期平均值保留到二阶精度，忽略高阶项，得到C4,8_91：d=承訓（1+（】缺亀•））卜2爲需（胡皿+切帑（2）其屮P表示压力，U表示体积流率，上标*表示共辘，下标“1”表示一阶波动量，，为普朗特数，心表示取实部，加表示取虚部运算。对于平板结构，截面平均的粘性函数丘=班（Z）/Z,Z=（1+1）护％/32；截面平均的热函数人=th（aZ）/（aZ）。热、粘

14、函数表征的是参数的横向分布的影响，是截面形状以及水力直径与粘性穿透深度之比（即动态雷诺数R%）的函数。接下来