热声回热器内声场数值模拟研究.pdf

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1、2014年第5期低温工程NO．520l4总第201期CRY0GENICSSumNo．2O1热声回热器内声场数值模拟研究毛伊依谢秀娟杨少柒李青(中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室北京100190)(中国科学院大学北京100049)摘要：对热声系统板叠及其附近流域进行了声场、流场特性的数值模拟研究。通过不同计算方法的对比，网格独立性验证等确定了误差最小的二维可压缩湍流模型。模拟结果分析了典型工况下热声回热器内部的压流分布特点，观察了板叠末端涡结构的周期性，并且对比了不同周期下涡结构的变化。结果表明，在压力场达到稳定后，由于流场的粘性，使得回热器内速度场的稳定具有

2、滞后性，两者的稳定并不同步。关键词：热声回热器计算流体力学涡中图分类号：TB61，TB65文献标识码：A文章编号：1000．6516(2014)05—0034．06NumericalstudyofsoundfieldinthermoacousticregeneratorMaoYiyi'XieXiujuanYangShaoqi'LiQing(KeyLaboratoryofCryogenics，TechnicalInstituteofPhysicsandChemistry，ChineseAcademyofSciences，Beijing100190，China)(Grad

3、uateSchooloftheChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China)Abstract：Thestackofastanding-wavethermoacousticrefrigeratorwasstudied．Theacousticpressureandhydroprocessesnearandwithinathermoacousticcoupleweresimulated．Theinfluencesofnumericmethodologyonthesimulationofnonlinearthermoacoustic

4、processwerestudied．Thedistributionofstaticpressureandvolumevelocityamplitudeinthesystemwerediscussed．Meanwhile，thevo~exstructureattheendofthestackwasobservedandcomparedthevortexstructureunderdifferentcycle．Theresultsshowedthat，becauseoftheviscouseffects，thestabilityofthevelocityfieldint

5、heregeneratorislagcomparedwiththepressurefield．Keywords：thermoacoustic；regenerator；CFD；vo~ex由于热声热机内部复杂的工作机理，涉及到交变1引言流动、传热及热力学过程，传统的热声理论都是基于根据热声原理研制的热声热机能够在一定的几一阶线性理论模型，对于声直流、突变截面等非线性何和热力条件下实现热能与声能之间的相互转热声效应及其现象有着很严重的局限性，并不能完全化⋯。由于其结构简单、可靠性高使其应用前景非解释这些过程，因此对数理方程的数值模拟成为解决常广阔。问题的重要手段。近年来，随

6、着商用CFD软件的完收稿日期：2014—07—23；修订日期：2014—09—23基金项目：国家自然科学面上基金项目(No．11274318)支持。作者简介：毛伊依，女，25岁，硕士研究生。第5期热声回热器内声场数值模拟研究35善与发展，国内外利用CFX、Fluent等软件开展了一板叠末端涡结构，对比单个周期及多个周期之间的变定的模拟研究。化，寻求该变化的规律性。2003年，P．Blanc．Benon等采用有限差分法得2理论分析到热声制冷机回热器冷端的温度曲线。2008年，余国瑶研究了驻波热声发动机，对板叠回热器进行2．1基本物理模型了二维拓扑转换，采用流固耦合模型，

7、观测到了回热本研究参照的已有实验装置如图1所示。实验器压力幅值从放大到饱和的过程，以及其本身的涡流系统由双通道函数／任意波形信号发生器输出同频固场，揭示了驻波型热声发动机的热力学及声学特性，定相位差的正弦信号驱动对置放置的扬声器在测试与实验研究结果较好地吻合。同年，L．Zoon~ens管道中产生特定声场。测试管道由3部分组成，两端等建立了流固耦合模型，结果表明板叠的厚度严是长度约为400mm的28mm×28mm矩形卫生级格控制着回热器周围旋涡的产生和强度，板间距的增不锈钢管，中间段安装有长40mm板厚为1mm间距加提高了热传递效率但增大了熵消耗；随后