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热声脉管制冷机板叠结构及调相机理数值研究

颜鹏  
【摘要】:摘要:热声斯特林脉管制冷系统是一种基于斯特林循环的热声驱动脉管制冷系统,提高其效率有助于在国防军事及空间探测等领域的推广应用;利用热声发动机驱动热声脉管制冷机能提高其稳定性,具有非常广阔的应用前景。而回热器是热声转换的核心,特殊的结构对热声转换的效率会产生巨大的影响。采用CFD商业软件Fluent展开了以下几个方面的数值研究: (1)针对板叠结构回热器,分别建立了平行板叠及异形板叠驻波热声发动机的数值研究模型,成功捕捉到了热声自激振荡过程,异形板叠达到热声饱和时间更短;分析了压力及速度之间的相位关系,验证了Rayleigh准则,轴向压力、速度之间的相位差为90。,满足驻波声场的分布特点;研究两者的频谱特性,异形板叠产生的压力幅值远远高于平行板叠,更为稳定,有助于热声系统的匹配;观察回热器周围产生的流动漩涡,异形板叠结构漩涡的强度高于平行板叠,有利于流固耦合和转换效率的提高; (2)建立了热声发动机驱动热声制冷机的数值研究模型,分析了速度及压力的相位关系以及轴向分布特点,验证了数值研究的正确性;研究了不同时刻声功分布的特点,平行板叠产生的声功率相对较少;捕捉到了回热器冷热两端温度振荡的特点,分析了不同时刻回热器两端温度分布的规律,研究结果显示平行板叠结构的制冷效率低于异形板叠结构;此外,由于受到非线性声场的扰动,两种回热器结构两端均出现温度分布不稳定的现象; (3)建立热声斯特林脉管制冷系统的数值研究模型,分别研究惯性管管径、长度,工作频率以及入口效应对制冷效率产生的影响,结果表明制冷效率的高低是冷端换热器压力、质量流以及两者之间相位差共同作用的效果,管径越小、频率越高、入口相位角越小有利于提高制冷效率;研究不同情况下冷端换热器出口速度环状效应,结果显示速度环状效应的强弱取决于瓦伦西数Va以及最大雷诺数Remax;分析了不同时刻气库流场分布的特点,发现惯性管与气库的交界面出现了多个流动漩涡,漩涡的存在导致热量不能够及时排出,气库与冷端换热器之间形成了很大的温度梯度,降低了制冷效率。图87幅,表6个,参考文献78篇。


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