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热声发动机特性的多速格子气模拟

张稳  
【摘要】:热声热机由于具有高可靠性、无污染性、寿命长等许多优点,得到越来越多的关注。随着热声热机实用化的发展,要求不断提高比功率,这必然导致系统的声幅迅速增大,使得非线性效应越来越明显,线性热声理论将难以提供满意的预测,需要探索新的模拟分析方法。因此,将格子气方法应用于热声发动机的数值模拟中,是全新的课题。在总结前人研究成果的基础上,得到了以下几方面研究结果: 1.初步建立了D2Q13热声格子气模型,将热声与d2q13格子气模型结合具有一定得探索性。设计了相应的碰撞规则、边界处理方法,模拟所得的热声发动机的温度响应曲线结果合理,表明了模拟的假设可行。 2.采用D2Q9格子气模型,模拟了带谐振腔的热声发动机。比较了带谐振腔模型和直管模型的起振过程,模拟了带谐振腔模型的温度分布和沿管长方向的温度梯度。重点研究了系统稳定后一个周期内,压力波的传播和反射过程,并进行可视化分析。研究结果表明,增加谐振腔有助于增大系统压力增幅,半波长谐振腔的压力幅值出现在谐振管的两封闭端,与理论分析吻合较好。 3.分析了多体碰撞规则的影响,表明多体碰撞规则的生成更易于显现非线性效应,模拟结果更接近实际。同时,提高高温热源温度,有助于压力振幅的增大。 4.分析了回热器的流场,对板叠内水平方向的速度进行了处理,同时对换热器附近的流场进行了可视化处理。研究结果反映了板叠内水平方向的周期振荡,以及换热器两端空腔区域由于流场突变带来的涡流效应。


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