热声系统振荡流换热器的特性

热声系统振荡流换热器的特性

（1.武汉工程大学机电工程学院，湖北武汉430074；2.海军工程大学研究生院，湖北武汉430033）

利用波动理论建立双向时滞模型，以研究圆孔结构和平板结构换热器微通道中温度波的振荡特性.结果表明，温度波的振幅随着无因次时间准数ωτ值的增大而减小；在流道中心，其振幅随着的增大均有一个先增大后减小的过程，并且平板结构换热器的性能要优于圆孔结构换热器；为了提高换热器的换热性能，圆孔结构一般设计1＜＜2，平行板结构一般设计1.5＜＜2.5.

热声；振荡流；换热器；弛豫时间；温度波

0 引 言

热声热机是一种热能转换装置，主要的部件有冷（热）端换热器、回热器和谐振管等［1］.其中，换热器用于调制回热器两端温差，其换热性能对整机工作性能有很大影响.

上世纪末研究人员对热声热机换热器的振荡流进行了研究.其中具有代表性的是宾夕法尼亚大学的Wakeland和Keolian［2－4］.他们研究了无回热器热声系统中换热器的性能，然后利用与时间相关的非均匀速度分布层流振荡模型，测量了相邻独立平行板换热器在振荡流情况下换热量与换热效率.然而，热声领域对振荡流换热器［5－6］的研究依然属于摸索阶段，并没有一个成熟的理论体系.

热声过程是在微小区域内发生的波动和扩散的综合效应［7］，用传统的热力学观点［8］是无法解释这种过程的，在这里，弛豫时间也就尤为重要.因此将弛豫时间引入到换热器的理论研究中是非常必要的.

利用波动理论建立双向时滞模型，以研究圆孔结构和平板结构换热器微通道中温度波的振荡特性，并分析扰动温度分布的特性.同时，研究水力半径及热渗透深度对换热器传热效果的影响.所得结论对热声系统中换热器设计具有一定理论指导意义.

1 振荡流温度波特性分析

考虑双向时滞模型，热声系统的动量方程和其中rh表示换热器的水力半径.对于行波，令

式（6）中R表示普适气体常量.

2 数值算例

图1给出了两种结构换热器振荡中温度沿着流道中心到固体壁的分布示意图.

从图1中可以看出温度振荡的幅值的实部和虚部的绝对值在靠近固体壁的附近有一个明显的衰减过程；并且平行板换热器的振荡温度要高于圆孔换热器的振荡温度.

在流道中心处，即y＝0，温度扰动最大，分别对两种结构换热器在不同wτ和下对振荡流温度进行探讨.

图2给出了两种结构的换热器流道中心振荡温度分布示意图.

图2 wτ变化时换热器振荡温度分布Fig.2 When wτchanges，the Oscillation temperature distribution diagram of heat exchanger

从图2中可以看出，温度波的振幅在流道中心随着wτ的增大而不断的减小.因为随着wτ的增大，温度波从以波动为主变为以扩散为主.

图3 不同时振荡温度分布示意图Fig.3 Oscillation temperature distribution diagram in different

图4 不同时振荡温度幅值分布示意图Fig.4 Oscillation temperature amplitude distribution diagram in different

3 结 语

在振荡流换热器中，沿固体壁的纵向温差和气体振荡造成温度扰动，形成温度波，它兼有波动和扩散的双重特性.在微型热声热机系统中，弛豫时间对温度波的振荡特性有很大的影响.本文利用波动理论建立双向时滞模型，研究圆孔结构和平板结构换热器微通道中横向温度波的振荡特性，结果表明：

a.温度波的粘性弛豫时间和导热弛豫时间对其振荡特性有很重要的影响.随着wτ的增大，温度波的振幅减小，温度波从以波动为主变为以扩散为主.

c.相同条件下，平板结构换热器的性能要优于圆孔结构换热器.

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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

陈小平

TB131

A

10.3969／j.issn.1674－2869.2011.10.018

16742869（2011）10007704

20110823

国家自然科学基金项目（51176143）.

刘明方（1986），男，湖北仙桃人，硕士研究生.研究方向：热声机换热器的动态特性研究.

指导老师：吴 锋，男，教授，博士，博士研究生导师.研究方向：热声热机工程等.