熱聲系統(tǒng)振蕩流換熱器的特性

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

利用波動理論建立雙向時滯模型，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因次時間準數(shù)ωτ值的增大而減小；在流道中心，其振幅隨著的增大均有一個先增大后減小的過程，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1＜＜2，平行板結(jié)構(gòu)一般設(shè)計1.5＜＜2.5.

熱聲；振蕩流；換熱器；弛豫時間；溫度波

0 引 言

熱聲熱機是一種熱能轉(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?，其換熱性能對整機工作性能有很大影響.

上世紀末研究人員對熱聲熱機換熱器的振蕩流進行了研究.其中具有代表性的是賓夕法尼亞大學(xué)的Wakeland和Keolian［2－4］.他們研究了無回?zé)崞鳠崧曄到y(tǒng)中換熱器的性能，然后利用與時間相關(guān)的非均勻速度分布層流振蕩模型，測量了相鄰獨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，并沒有一個成熟的理論體系.

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

利用波動理論建立雙向時滯模型，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，并分析擾動溫度分布的特性.同時，研究水力半徑及熱滲透深度對換熱器傳熱效果的影響.所得結(jié)論對熱聲系統(tǒng)中換熱器設(shè)計具有一定理論指導(dǎo)意義.

1 振蕩流溫度波特性分析

考慮雙向時滯模型，熱聲系統(tǒng)的動量方程和其中rh表示換熱器的水力半徑.對于行波，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部和虛部的絕對值在靠近固體壁的附近有一個明顯的衰減過程；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，溫度擾動最大，分別對兩種結(jié)構(gòu)換熱器在不同wτ和下對振蕩流溫度進行探討.

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.因為隨著wτ的增大，溫度波從以波動為主變?yōu)橐詳U散為主.

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

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

3 結(jié) 語

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，形成溫度波，它兼有波動和擴散的雙重特性.在微型熱聲熱機系統(tǒng)中，弛豫時間對溫度波的振蕩特性有很大的影響.本文利用波動理論建立雙向時滯模型，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間和導(dǎo)熱弛豫時間對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，溫度波從以波動為主變?yōu)橐詳U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.

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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

國家自然科學(xué)基金項目（51176143）.

劉明方（1986），男，湖北仙桃人，碩士研究生.研究方向：熱聲機換熱器的動態(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：熱聲熱機工程等.