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Rijke管热声效应及热声制冷机的数值模拟

赵殿鹏  
【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。


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