熱聲系統(tǒng)振蕩流換熱器的特性

（1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430074；2.海軍工程大學(xué)研究生院，湖北武漢430033）

利用波動(dòng)理論建立雙向時(shí)滯模型，以研究圓孔結(jié)構(gòu)和平板結(jié)構(gòu)換熱器微通道中溫度波的振蕩特性.結(jié)果表明，溫度波的振幅隨著無(wú)因次時(shí)間準(zhǔn)數(shù)ωτ值的增大而減?。辉诹鞯乐行?，其振幅隨著的增大均有一個(gè)先增大后減小的過(guò)程，并且平板結(jié)構(gòu)換熱器的性能要優(yōu)于圓孔結(jié)構(gòu)換熱器；為了提高換熱器的換熱性能，圓孔結(jié)構(gòu)一般設(shè)計(jì)1＜＜2，平行板結(jié)構(gòu)一般設(shè)計(jì)1.5＜＜2.5.

熱聲；振蕩流；換熱器；弛豫時(shí)間；溫度波

0 引 言

熱聲熱機(jī)是一種熱能轉(zhuǎn)換裝置，主要的部件有冷（熱）端換熱器、回?zé)崞骱椭C振管等［1］.其中，換熱器用于調(diào)制回?zé)崞鲀啥藴夭?，其換熱性能對(duì)整機(jī)工作性能有很大影響.

上世紀(jì)末研究人員對(duì)熱聲熱機(jī)換熱器的振蕩流進(jìn)行了研究.其中具有代表性的是賓夕法尼亞大學(xué)的Wakeland和Keolian［2－4］.他們研究了無(wú)回?zé)崞鳠崧曄到y(tǒng)中換熱器的性能，然后利用與時(shí)間相關(guān)的非均勻速度分布層流振蕩模型，測(cè)量了相鄰獨(dú)立平行板換熱器在振蕩流情況下?lián)Q熱量與換熱效率.然而，熱聲領(lǐng)域?qū)φ袷幜鲹Q熱器［5－6］的研究依然屬于摸索階段，并沒(méi)有一個(gè)成熟的理論體系.

熱聲過(guò)程是在微小區(qū)域內(nèi)發(fā)生的波動(dòng)和擴(kuò)散的綜合效應(yīng)［7］，用傳統(tǒng)的熱力學(xué)觀點(diǎn)［8］是無(wú)法解釋這種過(guò)程的，在這里，弛豫時(shí)間也就尤為重要.因此將弛豫時(shí)間引入到換熱器的理論研究中是非常必要的.

利用波動(dòng)理論建立雙向時(shí)滯模型，以研究圓孔結(jié)構(gòu)和平板結(jié)構(gòu)換熱器微通道中溫度波的振蕩特性，并分析擾動(dòng)溫度分布的特性.同時(shí)，研究水力半徑及熱滲透深度對(duì)換熱器傳熱效果的影響.所得結(jié)論對(duì)熱聲系統(tǒng)中換熱器設(shè)計(jì)具有一定理論指導(dǎo)意義.

1 振蕩流溫度波特性分析

考慮雙向時(shí)滯模型，熱聲系統(tǒng)的動(dòng)量方程和其中rh表示換熱器的水力半徑.對(duì)于行波，令

式（6）中R表示普適氣體常量.

2 數(shù)值算例

圖1給出了兩種結(jié)構(gòu)換熱器振蕩中溫度沿著流道中心到固體壁的分布示意圖.

從圖1中可以看出溫度振蕩的幅值的實(shí)部和虛部的絕對(duì)值在靠近固體壁的附近有一個(gè)明顯的衰減過(guò)程；并且平行板換熱器的振蕩溫度要高于圓孔換熱器的振蕩溫度.

在流道中心處，即y＝0，溫度擾動(dòng)最大，分別對(duì)兩種結(jié)構(gòu)換熱器在不同wτ和下對(duì)振蕩流溫度進(jìn)行探討.

圖2給出了兩種結(jié)構(gòu)的換熱器流道中心振蕩溫度分布示意圖.

圖2 wτ變化時(shí)換熱器振蕩溫度分布Fig.2 When wτchanges，the Oscillation temperature distribution diagram of heat exchanger

從圖2中可以看出，溫度波的振幅在流道中心隨著wτ的增大而不斷的減小.因?yàn)殡S著wτ的增大，溫度波從以波動(dòng)為主變?yōu)橐詳U(kuò)散為主.

圖3 不同時(shí)振蕩溫度分布示意圖Fig.3 Oscillation temperature distribution diagram in different

圖4 不同時(shí)振蕩溫度幅值分布示意圖Fig.4 Oscillation temperature amplitude distribution diagram in different

3 結(jié) 語(yǔ)

在振蕩流換熱器中，沿固體壁的縱向溫差和氣體振蕩造成溫度擾動(dòng)，形成溫度波，它兼有波動(dòng)和擴(kuò)散的雙重特性.在微型熱聲熱機(jī)系統(tǒng)中，弛豫時(shí)間對(duì)溫度波的振蕩特性有很大的影響.本文利用波動(dòng)理論建立雙向時(shí)滯模型，研究圓孔結(jié)構(gòu)和平板結(jié)構(gòu)換熱器微通道中橫向溫度波的振蕩特性，結(jié)果表明：

a.溫度波的粘性弛豫時(shí)間和導(dǎo)熱弛豫時(shí)間對(duì)其振蕩特性有很重要的影響.隨著wτ的增大，溫度波的振幅減小，溫度波從以波動(dòng)為主變?yōu)橐詳U(kuò)散為主.

c.相同條件下，平板結(jié)構(gòu)換熱器的性能要優(yōu)于圓孔結(jié)構(gòu)換熱器.

［1］ 王軍，吳鋒，楊志春，等.熱聲諧振管壓比影響因素的數(shù)值模擬［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（12）：80－83.

［2］ Wakeland R S，Keolian R M.Thermoacoustics with idealized heat exchangers and no stack［J］.J Acoust Am，2002，111：2654－2664.

［3］ Wakeland R S，Keolian R M.Influence of velocity profile nonuniformity on minor losses for flow exiting thermoacoustic heat exchanger［J］.J Acoust Am，2002，112（4）：1249－1252.

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［6］ 汪威，喻九陽(yáng)，楊俠.波節(jié)管脈沖流強(qiáng)化對(duì)流換熱數(shù)值分析［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（3）：89－91.

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Characteristics of oscillation heat exchanger in thermoacoustic system

LIU Ming－fang1，2，WU Feng1，2，YANG Zhi－chun1，2，WANG Jun1
（1.School of Mechannical and Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology Wuhan 430074，China；
2.Postgraduate School，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

Using wave theory，a two－way delay model was established to research the temperature wave oscillation characteristic in the micro－channel of circular and parallel plate heat exchanger.The results show that the amplitude of temperature wave will be reduced as the dimensionless time number decreases.In the center of flow channel，with the increasing of the amplitude，temperature wave has a change process that increases firstly and then decreases，and the performance of parallel plate heat exchanger is superior to the circular heat exchanger；In order to improve heat transfer performance of heat exchanger，it was designed for the circular heat exchanger and for the parallel plate heat exchanger.

thermoacoustic；oscillation flow；heat exchanger；relaxation time；temperature wave

陳小平

TB131

A

10.3969／j.issn.1674－2869.2011.10.018

16742869（2011）10007704

20110823

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51176143）.

劉明方（1986），男，湖北仙桃人，碩士研究生.研究方向：熱聲機(jī)換熱器的動(dòng)態(tài)特性研究.

指導(dǎo)老師：吳 鋒，男，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師.研究方向：熱聲熱機(jī)工程等.