热声换热器的工作机制和换热特性研究.pdfVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：083551 热声换热器的工作机制及换热特性研究热声换热器的工作机制及换热特性研究 热声换热器的工作机制及换热特性研究热声换热器的工作机制及换热特性研究 1，2 2 1，2 2 高波 ，罗二仓 ，陈燕燕 ，戴巍 1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 2 中国科学院研究生院 北京 100049 Tel：010 Email: Ecluo@cl.cryo.ac.cn 摘要：本文研究了热声系统换热器内可压缩工作流体交变流动的周期平均换热特性。在小扰动的 假设条件下，根据周期平均的热能与声能转换的非线性本质，从能量方程出发，对无限大平板通道的 换热特性进行了理论推导，获得了横向速度v和无量纲时均换热系数 Nu0 的解析表达式。研究表明： Nu0 与流体的绝热指数γ 、普朗特数Pr 、动态雷诺数Reω 以及声导率比Ya 相关。并对以上各影响因素 对 Nu0 的影响进行了分析。 关键词：热声换热器，周期平均换热，无限大平板通道，可压缩流体，交变流动。 0 前言 换热器是热声系统中最重要的热力部件，其性能的好坏对整个系统的热力性能有着 至关重要得影响。应用于热声系统中的换热器与传统的换热器不同，一般是由两个通道 组成的：其中的一通道容纳稳定流动的过程流体；而另一种通道容纳交变流动的工作流 [1-3] 体，即工作流体的压力、速度、温度都是波动的，所以换热过程尤为复杂 。 由热声系统工作的特性可知：热声换热器中的换热过程是由工作流体的可压缩特性 引起的动态换热和工作流体与壁面之间的二阶周期平均温差引起的二阶周期平均换热两 部分组成。虽然一阶动态换热的量级很大，但其周期平均值为零，即对热能与声能的转 化没有贡献，因此我们不予考虑。在热声系统中我们关心的是时均能量转换效应，对二 阶的时均换热研究属于非线性热声动力学范畴。虽然早在 1980年N.Rott就指出了 “周 期平均的热能与声能转换”这种热声效应来自于热声声流效应，其能量方程需要考虑二 阶精度，其本质是非线性的[4]。但是，由于他当时研究的是驻波热声系统 （截面无质量 声流），从而也导致了不需要求解非常复杂的二阶精度的质量声流和动量声流方程组就可 以分析整个流场的流动换热以及热功转换过程。由于早期学者们对热声系统的研究主要 是以驻波系统为主，而这种经典的线性热声理论恰恰与试验结果吻合较好 （驻波系统）。 这导致了长久以来，这种适用于驻波系统的线性热声模型被认为是定量分析和设计热声 系统的普适性工具，更以至于后来一些著名的研究者认为仅靠线性热声理论就能解释热 本文研究工作获国家杰出青年基金支持 能与声能之间相互转化的过程，而完全忽视了其应用条件。直至2007年，罗二仓从分析 经典的 “线性热声理论”与实际的实验结果之间的偏差入手，得出了不论声波振幅大小， 热能与声能转换本质上是非线性的，而热声转换正是依赖于这种非线性效应而工作的结 论[5]。因此对于热声系统而言，能量转换必须要考虑二阶时均效应。 本文以弱非线性热声理论为基础，从原始的能量守恒方程出发，研究在小振幅波动 条件下