加强型微型热声制冷机谐振管的设计*

汪建新，张 彤

(内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头 014010)

加强型微型热声制冷机谐振管的设计*

汪建新，张 彤

(内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头 014010)

设计一种高效率的热声制冷机谐振管，采用Fluent流体软件对比渐扩管、直管、渐缩管中的压力，发现渐缩管具有增压作用。设计了1/4波长的谐振管，并调节其声腔使其达到纵向谐振频率状态，以便提高热声制冷机的效率。

Fluent;压力对比;谐振;模态分析

1 引言

热声制冷技术是20世纪80年代发现的一种新的制冷技术，由此发展而来的热声制冷机相比于传统的制冷机具有以下优点:①结构简单，主要由声发生器、共振管、板叠、等组成，和传统制冷设备相比，省去了体积庞大压缩机，所以能够大大简化设备的结构复杂程度;②以空气或惰性气体作为工质，避免了氟里昂的使用，从而避免了对环境造成污染;③无运动部件，不需要润滑，因而其工作状况稳定，使用寿命较长，且振动较小;④可利用太阳能、地热能、等废能作为热源制成热声发动机作为热声制冷机的动力源，其能量来源宽泛。

热声制冷原理基于热声效应热声效应是指可压缩的流体的声振荡与固体介质之间由于热作用而产生的时均能量效应。与只考虑声波转播的情形不同，产生热声效应时，声波的纵向模和横向模都起着关键作用。纵向传播模式维持稳定的声振荡和提供产生热声效应所需的声功流，横向模式则产生流体和固体的动量和热量相互作用，正是这些相互作由从而形成了热声效应［1］。

2 微型热声制冷机制冷机谐振管尺寸确定

谐振管是热声效应发生的场所，起到调节相位的作用。谐振管根据波长一般分为半波长谐振管和1/ 4波长谐振管，为了尽量减小微型热声制冷机的体积，此处采用1/4波长谐振管。设计的高频微型热盛制冷机声源振动频率为5 000 Hz，由于声音在空气中的传播速度v=347 m/s，λ=f/v=68 m，λ=17 mm，所以初步设计管长为17 mm。通常1/4波长谐振管尾部有一定体积的腔室［2］，并且体积越大管内的波形越接近1/4波长，但也不能取很大否则会增大谐振管的体积，要根据实际情况来选取。

2.1 不同形状管同等条件下压力对比

本研究选取了三种有代表性的管型:渐扩管、直管、渐缩管，采用Fluent软件进行数值模拟的方法对这三种管型进行了对比。

由上式可知，取ρ为1.21×103kg/m3，l取制冷机入口直径 28 mm，μ取 1.822×10－5Pa·s，v取347m/s易知雷诺数Re值远远大于2 000，所以本次实验采用标准湍流κ－ε模型分析。使用中等湍流密度，这种设定适合绝大多数模拟［3］，选择压力入口边界条件，压力选择正弦压力波动形式P=100 sin(2× 3.14×215×t)，流体工质选为理想气体空气模型，主要参数有密度、单位质量的比热、热导率和运动粘性系数。初始温度设置为300 K，操作环境压力选为101 325 Pa。忽略重力，采用边界压力入口(in)作为初始化条件［4］。

壁面条件采用绝热无滑移模型。选用分离隐式、非稳态的求解器，压力修正为Simple二阶隐式算法，能量方程、动量方程均采用二阶迎风格式。

时间步选择波动周期的1/8，为0.000 58 s，用Fluent UDF编写波动压力入口条件程序。

模拟时采用半波长管，有v=347 m/s，f=215 Hz，λ=f/v=215/347=0.8 m，故管的长度为800 mm，管的轴向长度分别为65 mm、30 mm，管的尺寸参数如图1～3所示。选取三种不同管型的中心轴作为压力对比的曲线，由图4和图5可知，渐缩管相对于直管具有增压的作用，而直管相对于渐扩管具有增压的作用，所以设计谐振管时采用了一段渐缩管结构用于增加压力强度。其中压力对比曲线纵坐标单位为Pa。

图1 渐缩管

图2 直管

图3 渐扩管

图4 直管和渐扩管压力对比图

图5 直管和渐缩管 压力对比图

根据以上分析的情况初步设计加羌型谐振管的尺寸如图6所示，其中的锥段为声压加强段。尾腔尺寸初步定为5mm。

图6 加羌型谐振管的尺寸设计

2.2 谐振管的模态分析

模态分析是结构动力学分析中一项重要的内容，通过模态分析可知结构的振动特性也就是固有频率和固有振型。对于结构的设计具有指导意义。

对于谐振管来说声源振动频率在其纵向振动频率附近，能对声波振动起到加强作用，这对于热声制冷机效率的提高具有积极意义。

本微型热声制冷机谐振管拟采用结构钢材料，谐振管厚度为1 mm，结构钢材料的具体参数为:弹性模量E=2.06×1011Pa。材料密度ρ=7 850 kg/m3，泊松比μ=0.28。

采用PROE5.0对谐振管进行建模，对谐振管的左端壁面施加全向自由度约束，采用 Ansys Workbench13平台的模态分析模块进行模态分析［5］，逐步调整热声制冷机尾腔的纵向尺寸并观察其纵向振动的振动频率，发现当尾腔的纵向尺寸为11 mm时，其第六阶纵向谐振频率为4 964.4 Hz，与谐振管管声源振动频率5 000 Hz非常接近，显然能够对谐振管起到加强振动的作用，进而能够提高热声制冷机的制冷效率。其中模态分析的结果如图7所示。

2.3 谐振管结构尺寸参数的确定

经过前两点的分析确定了谐振管的具体参数如图8所示，其中谐振管壁厚1 mm。

图7 模态分析

图8 谐振管结构尺寸参数

3 结论

设计了一种1/4波长加强型谐振管，采用了渐缩锥管结构，增大了声压振动幅值。逐步调节尾部声腔的尺寸参数，使其纵向谐振频率与声源驱动器频率相近，利于增强振动，提高了热声制冷机的制冷效率。

［1］ 肖家华.热声制冷的应用原理和应用前景［J］.应用声学，1993 (3):1－3.

［2］ 孙生生.基于Fluent的热声元件特性研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2008.

［3］ 李进良，李承曦，胡仁喜.精通FLUENT6.3流场分析［M］.北京:化学工业出版社，2009.

［4］ 谢龙汉，赵新宇，张炯明.ANSYS CFX流体分析及仿真［M］.北京:电子工业出版社，2012.

［5］ 凌桂龙，丁金滨，温 正.Ansys Workbench 13.0从入门到精通［M］.北京:清华大学出版社，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

内蒙古自治区教育厅高等学校科学技术研究项目《磁致伸缩换能器在热声制冷技术中的应用研究》(NJ09082)

汪建新(1962－)，男，内蒙古包头人，教授，博士，研究方向:机械工程及机电一体化。