加強(qiáng)型微型熱聲制冷機(jī)諧振管的設(shè)計(jì)*

汪建新，張 彤

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010)

加強(qiáng)型微型熱聲制冷機(jī)諧振管的設(shè)計(jì)*

汪建新，張 彤

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010)

設(shè)計(jì)一種高效率的熱聲制冷機(jī)諧振管，采用Fluent流體軟件對(duì)比漸擴(kuò)管、直管、漸縮管中的壓力，發(fā)現(xiàn)漸縮管具有增壓作用。設(shè)計(jì)了1/4波長的諧振管，并調(diào)節(jié)其聲腔使其達(dá)到縱向諧振頻率狀態(tài)，以便提高熱聲制冷機(jī)的效率。

Fluent;壓力對(duì)比;諧振;模態(tài)分析

1 引言

熱聲制冷技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)的一種新的制冷技術(shù)，由此發(fā)展而來的熱聲制冷機(jī)相比于傳統(tǒng)的制冷機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn):①結(jié)構(gòu)簡單，主要由聲發(fā)生器、共振管、板疊、等組成，和傳統(tǒng)制冷設(shè)備相比，省去了體積龐大壓縮機(jī)，所以能夠大大簡化設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度;②以空氣或惰性氣體作為工質(zhì)，避免了氟里昂的使用，從而避免了對(duì)環(huán)境造成污染;③無運(yùn)動(dòng)部件，不需要潤滑，因而其工作狀況穩(wěn)定，使用壽命較長，且振動(dòng)較小;④可利用太陽能、地?zé)崮堋⒌葟U能作為熱源制成熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)作為熱聲制冷機(jī)的動(dòng)力源，其能量來源寬泛。

熱聲制冷原理基于熱聲效應(yīng)熱聲效應(yīng)是指可壓縮的流體的聲振蕩與固體介質(zhì)之間由于熱作用而產(chǎn)生的時(shí)均能量效應(yīng)。與只考慮聲波轉(zhuǎn)播的情形不同，產(chǎn)生熱聲效應(yīng)時(shí)，聲波的縱向模和橫向模都起著關(guān)鍵作用。縱向傳播模式維持穩(wěn)定的聲振蕩和提供產(chǎn)生熱聲效應(yīng)所需的聲功流，橫向模式則產(chǎn)生流體和固體的動(dòng)量和熱量相互作用，正是這些相互作由從而形成了熱聲效應(yīng)［1］。

2 微型熱聲制冷機(jī)制冷機(jī)諧振管尺寸確定

諧振管是熱聲效應(yīng)發(fā)生的場所，起到調(diào)節(jié)相位的作用。諧振管根據(jù)波長一般分為半波長諧振管和1/ 4波長諧振管，為了盡量減小微型熱聲制冷機(jī)的體積，此處采用1/4波長諧振管。設(shè)計(jì)的高頻微型熱盛制冷機(jī)聲源振動(dòng)頻率為5 000 Hz，由于聲音在空氣中的傳播速度v=347 m/s，λ=f/v=68 m，λ=17 mm，所以初步設(shè)計(jì)管長為17 mm。通常1/4波長諧振管尾部有一定體積的腔室［2］，并且體積越大管內(nèi)的波形越接近1/4波長，但也不能取很大否則會(huì)增大諧振管的體積，要根據(jù)實(shí)際情況來選取。

2.1 不同形狀管同等條件下壓力對(duì)比

本研究選取了三種有代表性的管型:漸擴(kuò)管、直管、漸縮管，采用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬的方法對(duì)這三種管型進(jìn)行了對(duì)比。

由上式可知，取ρ為1.21×103kg/m3，l取制冷機(jī)入口直徑 28 mm，μ取 1.822×10－5Pa·s，v取347m/s易知雷諾數(shù)Re值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2 000，所以本次實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)湍流κ－ε模型分析。使用中等湍流密度，這種設(shè)定適合絕大多數(shù)模擬［3］，選擇壓力入口邊界條件，壓力選擇正弦壓力波動(dòng)形式P=100 sin(2× 3.14×215×t)，流體工質(zhì)選為理想氣體空氣模型，主要參數(shù)有密度、單位質(zhì)量的比熱、熱導(dǎo)率和運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。初始溫度設(shè)置為300 K，操作環(huán)境壓力選為101 325 Pa。忽略重力，采用邊界壓力入口(in)作為初始化條件［4］。

壁面條件采用絕熱無滑移模型。選用分離隱式、非穩(wěn)態(tài)的求解器，壓力修正為Simple二階隱式算法，能量方程、動(dòng)量方程均采用二階迎風(fēng)格式。

時(shí)間步選擇波動(dòng)周期的1/8，為0.000 58 s，用Fluent UDF編寫波動(dòng)壓力入口條件程序。

模擬時(shí)采用半波長管，有v=347 m/s，f=215 Hz，λ=f/v=215/347=0.8 m，故管的長度為800 mm，管的軸向長度分別為65 mm、30 mm，管的尺寸參數(shù)如圖1～3所示。選取三種不同管型的中心軸作為壓力對(duì)比的曲線，由圖4和圖5可知，漸縮管相對(duì)于直管具有增壓的作用，而直管相對(duì)于漸擴(kuò)管具有增壓的作用，所以設(shè)計(jì)諧振管時(shí)采用了一段漸縮管結(jié)構(gòu)用于增加壓力強(qiáng)度。其中壓力對(duì)比曲線縱坐標(biāo)單位為Pa。

圖1 漸縮管

圖2 直管

圖3 漸擴(kuò)管

圖4 直管和漸擴(kuò)管壓力對(duì)比圖

圖5 直管和漸縮管 壓力對(duì)比圖

根據(jù)以上分析的情況初步設(shè)計(jì)加羌型諧振管的尺寸如圖6所示，其中的錐段為聲壓加強(qiáng)段。尾腔尺寸初步定為5mm。

圖6 加羌型諧振管的尺寸設(shè)計(jì)

2.2 諧振管的模態(tài)分析

模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中一項(xiàng)重要的內(nèi)容，通過模態(tài)分析可知結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性也就是固有頻率和固有振型。對(duì)于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

對(duì)于諧振管來說聲源振動(dòng)頻率在其縱向振動(dòng)頻率附近，能對(duì)聲波振動(dòng)起到加強(qiáng)作用，這對(duì)于熱聲制冷機(jī)效率的提高具有積極意義。

本微型熱聲制冷機(jī)諧振管擬采用結(jié)構(gòu)鋼材料，諧振管厚度為1 mm，結(jié)構(gòu)鋼材料的具體參數(shù)為:彈性模量E=2.06×1011Pa。材料密度ρ=7 850 kg/m3，泊松比μ=0.28。

采用PROE5.0對(duì)諧振管進(jìn)行建模，對(duì)諧振管的左端壁面施加全向自由度約束，采用 Ansys Workbench13平臺(tái)的模態(tài)分析模塊進(jìn)行模態(tài)分析［5］，逐步調(diào)整熱聲制冷機(jī)尾腔的縱向尺寸并觀察其縱向振動(dòng)的振動(dòng)頻率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)尾腔的縱向尺寸為11 mm時(shí)，其第六階縱向諧振頻率為4 964.4 Hz，與諧振管管聲源振動(dòng)頻率5 000 Hz非常接近，顯然能夠?qū)χC振管起到加強(qiáng)振動(dòng)的作用，進(jìn)而能夠提高熱聲制冷機(jī)的制冷效率。其中模態(tài)分析的結(jié)果如圖7所示。

2.3 諧振管結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的確定

經(jīng)過前兩點(diǎn)的分析確定了諧振管的具體參數(shù)如圖8所示，其中諧振管壁厚1 mm。

圖7 模態(tài)分析

圖8 諧振管結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種1/4波長加強(qiáng)型諧振管，采用了漸縮錐管結(jié)構(gòu)，增大了聲壓振動(dòng)幅值。逐步調(diào)節(jié)尾部聲腔的尺寸參數(shù)，使其縱向諧振頻率與聲源驅(qū)動(dòng)器頻率相近，利于增強(qiáng)振動(dòng)，提高了熱聲制冷機(jī)的制冷效率。

［1］ 肖家華.熱聲制冷的應(yīng)用原理和應(yīng)用前景［J］.應(yīng)用聲學(xué)，1993 (3):1－3.

［2］ 孫生生.基于Fluent的熱聲元件特性研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2008.

［3］ 李進(jìn)良，李承曦，胡仁喜.精通FLUENT6.3流場分析［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［4］ 謝龍漢，趙新宇，張炯明.ANSYS CFX流體分析及仿真［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2012.

［5］ 凌桂龍，丁金濱，溫 正.Ansys Workbench 13.0從入門到精通［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2012.

Strengthening Design of Thermoacoustic Refrigerator Resonance Tube

WANG Jian－xin，ZHANG Tong
(Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou Inner Mongdia 014010，China)

In order to improve a high efficiency of the thermoacoustic refrigerator resonance tube，comparing the diffuser pipe，straight pipe，reducing pipe pressure in the fluid with Fluent software，and find that reducing pipe having a turbocharged effect.The resonant wavelength of 1/4 pipe is designed，and the cavity is adjusted to achieve the longitudinal resonant frequency for improving the efficiency of the thermoacoustic refrigerator.

fluent;pressure comparison;resonance;modal analysis

TH122

A

1007－4414(2013)05－0057－02

2013－07－13

內(nèi)蒙古自治區(qū)教育廳高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目《磁致伸縮換能器在熱聲制冷技術(shù)中的應(yīng)用研究》(NJ09082)

汪建新(1962－)，男，內(nèi)蒙古包頭人，教授，博士，研究方向:機(jī)械工程及機(jī)電一體化。