亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        蘊(yùn)含在熱聲制冷技術(shù)中的物理知識(shí)

        2017-06-01 23:08:43朱鶴雨黃正平張全立文偉
        中國高新技術(shù)企業(yè) 2017年9期
        關(guān)鍵詞:熱聲氣團(tuán)制冷機(jī)

        朱鶴雨 黃正平 張全立 文偉

        摘要:文章首先介紹了熱聲制冷的工作原理,其次運(yùn)用最基本的力學(xué)、聲學(xué)、熱力學(xué)與熱力統(tǒng)計(jì)等知識(shí)去推導(dǎo)熱聲制冷技術(shù)最重要的兩個(gè)參數(shù)——熱穿透深度和臨界溫度梯度,并對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)有了一個(gè)新的高度,接著介紹熱聲理論的發(fā)展進(jìn)程,尤其是非線性效應(yīng)的研究,然后通過設(shè)計(jì)熱聲制冷機(jī)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Rayleigh準(zhǔn)則,最后展望熱聲制冷技術(shù)的發(fā)展前景。

        關(guān)鍵詞:熱聲制冷技術(shù);熱聲理論;駐波;物理知識(shí);熱穿透深度;臨界溫度梯度 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        中圖分類號(hào):TB61 文章編號(hào):1009-2374(2017)08-0085-04 DOI:10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.08.041

        熱聲制冷技術(shù)就是利用熱聲效應(yīng)將高強(qiáng)度的聲能向熱能方向轉(zhuǎn)變的一種技術(shù)。熱聲制冷技術(shù)的起源要追溯到1777年Byron Higgins在實(shí)驗(yàn)中的一次意外發(fā)現(xiàn):在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候,他一不小心讓燃燒著的氫氣接觸到了兩端開口的大管子,結(jié)果管子里發(fā)出像吹風(fēng)琴一樣的聲音。當(dāng)時(shí)他把這種現(xiàn)象形象地稱為“歌焰”。后來,Sondhauss和Rijke分別對(duì)一段開口和兩端都開口的管子做了熱聲效應(yīng)的研究,形成了后來以Sondhauss管為雛形的駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)和以Rijke管為雛形的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)。如今,熱聲技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)熱門話題,其具有環(huán)保、長壽命、高效節(jié)能、簡單輕便等明顯的優(yōu)勢,其在制冷領(lǐng)域有著巨大潛力,備受關(guān)注。

        1 工作原理

        熱聲制冷機(jī)最主要的部件是熱聲堆,熱聲堆主要起熱交換的作用。一定頻率下,空氣分子在熱聲堆中沿著熱聲堆的縱向在各疊層之間做往復(fù)來回運(yùn)動(dòng)。如圖1所示:

        空氣分子在狀態(tài)2中升溫放出熱量,在狀態(tài)5中降溫,吸收熱量。

        設(shè)起初時(shí)氣團(tuán)處在狀態(tài)1,溫度為T。當(dāng)聲壓增加時(shí),氣團(tuán)向上動(dòng)并且被絕熱壓縮,溫度上升為T++到達(dá)狀態(tài)2。此時(shí)氣團(tuán)的溫度要高于其附近熱聲堆的溫度,就會(huì)把熱量輸給熱聲堆,溫度降為T+到達(dá)狀態(tài)3。在聲壓降低的狀態(tài)下,處在狀態(tài)3的氣團(tuán)向下振動(dòng)并且發(fā)生絕熱膨脹,溫度降低為T-到達(dá)狀態(tài)4。隨著聲壓繼續(xù)降低,氣團(tuán)繼續(xù)向下振動(dòng)并且繼續(xù)發(fā)生絕熱膨脹,溫度降低為T---到達(dá)狀態(tài)5。對(duì)于狀態(tài)5來說,此時(shí)氣團(tuán)溫度就比其附近的熱聲堆的溫度低,熱量就會(huì)被輸送給氣團(tuán),溫度升高為T--到達(dá)狀態(tài)6。狀態(tài)6聲壓增強(qiáng),氣團(tuán)向上運(yùn)動(dòng)并且被絕熱壓縮,溫度上升為T到達(dá)狀態(tài)1,這就是氣團(tuán)的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期。在每一個(gè)振動(dòng)周期中,氣團(tuán)都會(huì)從熱聲堆的下端吸收熱量,在熱聲堆上端釋放熱量,完成壘熱過程,這就是我們在實(shí)驗(yàn)室中所觀察到的熱聲效應(yīng)的基本原理。接下來,從理工科基礎(chǔ)課程知識(shí)出發(fā)介紹其物理理論內(nèi)涵。

        2 Rayleigh準(zhǔn)則

        關(guān)于熱聲效應(yīng)的理論研究最早是從1868年開始的。1868年,Kirchhoff發(fā)現(xiàn)在等溫固體管壁和維持聲波的氣體之間的振蕩傳熱存在能量衰減,并對(duì)系統(tǒng)的衰減量進(jìn)行了定量計(jì)算。1896年,Rayleigh指出:如果系統(tǒng)中的流體介質(zhì)的聲振動(dòng)與回?zé)崞鞯臒峤粨Q之間處在合適的相位角,就可以維持系統(tǒng)的熱聲振蕩。當(dāng)流體介質(zhì)在做聲振動(dòng)時(shí),如果對(duì)流體介質(zhì)最稠密處進(jìn)行加熱,而對(duì)流體介質(zhì)最稀疏處進(jìn)行降溫,聲振動(dòng)就會(huì)得到加強(qiáng)。反之,如果對(duì)最稠密處進(jìn)行降溫,而對(duì)最稀疏處進(jìn)行加熱,聲振動(dòng)就會(huì)衰減。為了維持系統(tǒng)中的聲振動(dòng),外界就必須對(duì)流體工質(zhì)持續(xù)做功,這一解釋被后人稱為Rayleigh準(zhǔn)則。這是人們第一次從理論的角度對(duì)熱聲現(xiàn)象進(jìn)行探討。直到今天,人們也一直把Rayleigh準(zhǔn)則看作是熱聲現(xiàn)象的一個(gè)最好的合理解釋。Rayleigh準(zhǔn)則理論推導(dǎo)比較復(fù)雜,但是我們發(fā)現(xiàn)可以從聲波的波動(dòng)方程出發(fā)推導(dǎo)Rayleigh準(zhǔn)則。

        上述內(nèi)容講述了溫度和聲波驅(qū)動(dòng)頻率之間的關(guān)系,但仍遺留一個(gè)問題,如何確定?它決定了溫度變化的最大量。下面我們著重解決確定的問題。為了突出研究重點(diǎn)、簡化模型,在這里我們只考慮一維傳導(dǎo)情況,認(rèn)為氣體沿著固體表面在y方向上的熱傳導(dǎo),忽略在x方向和z方向上的熱傳導(dǎo)。設(shè)聲波是沿著x軸方向傳播的,在其傳播方向上取一小段長度,將熱聲堆的固體表面置于平行于xz的平面上。設(shè)在熱聲堆的固體表面上的溫度梯度為。在此模型上,我們選取熱聲堆的空間中體積為的任一微元,利用熱量衡算來計(jì)算溫度振蕩的最大振幅。我們將從三個(gè)依據(jù)上去尋找的表達(dá)形式。

        這一臨界溫度梯度可以看作是原動(dòng)機(jī)與致冷的分水嶺。于是可以得到結(jié)論,當(dāng)是發(fā)動(dòng)機(jī),當(dāng)則為制冷機(jī)。

        3 熱聲制冷的物理理論發(fā)展

        以上闡述了熱聲致冷的理論原理,分析了影響了熱聲致冷熱聲基本因素。制冷的定量分析要得益于瑞士蘇黎士聯(lián)邦技術(shù)研究所的Rott教授,他在熱聲制冷的物理機(jī)理上做了很深刻的研究,為熱聲理論奠定了基礎(chǔ)。發(fā)展至今,熱聲制冷理論可分為線性理論和非線性理論。1988年,Swift等人系統(tǒng)地闡述了線性熱聲理論。1997年,John Hopkins大學(xué)Karpov和Prosperetti等人建立起非線性數(shù)學(xué)模型。

        式中:為工質(zhì)的溫度;表示壓力振幅;表示速度振幅;為黏滯函數(shù);為熱函數(shù);為流道的流通面積;為角頻率;為工質(zhì)的平均密度;為工質(zhì)的定壓比熱容;為工質(zhì)的比熱比;為工質(zhì)的熱導(dǎo)率;為總能流;為Prandtl數(shù);為構(gòu)成流道的固體的橫截面積;為構(gòu)成流道的固體的熱導(dǎo)率;為虛數(shù)符號(hào);上標(biāo)表示的是其共軛復(fù)數(shù)。

        線性熱聲理論有很多優(yōu)點(diǎn):首先,它是利用數(shù)學(xué)的分離變量法,將原來的寫成的形式,然后再代入線性化的動(dòng)量方程、流體的連續(xù)性方程和流體和固體能量方程中進(jìn)行化簡。這樣做可以將原來復(fù)雜的偏微分方程轉(zhuǎn)化成相對(duì)簡單點(diǎn)的常微分方程;其次,線性熱聲理論的動(dòng)量方程、連續(xù)性方程和能量方程式(19)、式(20)、式(21)是一個(gè)通用表達(dá)式,既可適用于研究熱聲堆的研究,也可用于換熱器、諧振管等熱聲部件的探討。后來在Rott的研究工作基礎(chǔ)上,Swift等人對(duì)線性熱聲理論進(jìn)行了發(fā)展和完善。其主要工作是對(duì)多孔介質(zhì)板疊式回?zé)崞鳎礋崧暥眩┑哪M,流道截面變化引起的局部損失等做了初步研究。但是線性熱聲理論也有不足之處,尤其是針對(duì)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的振幅飽和、頻率跳變等非線性效應(yīng),它都不能給出合理的解釋,這就催生了非線性熱聲理論的發(fā)展。

        非線性熱聲理論是最近幾十年才開始發(fā)展起來的,最開始主要解決的問題就是熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)和熱聲制冷機(jī)中的非線性問題,比如頻率跳變、振幅飽和等現(xiàn)象。1997年,美國John Hopkins大學(xué)Karpov和Prosperetti等人便開始研究熱聲效應(yīng)中的非線性問題。利用他們的非線性模型,他們成功地解釋了微小壓力波是如何通過初始的線性增長進(jìn)入非線性區(qū),最終達(dá)到飽和振幅,并且非線性模型還能夠?qū)︻l率跳變現(xiàn)象(即產(chǎn)生高次諧波)給出定量理論解釋。

        在國內(nèi),浙江大學(xué)制冷與低溫研究中心的包銳、陳邦國分別對(duì)圓直型和錐形型的諧振管做了對(duì)比研究。他們發(fā)現(xiàn)錐形型的諧振管可以對(duì)系統(tǒng)中的頻率跳變現(xiàn)象起抑制作用,使得熱聲系統(tǒng)在基頻下工作。南京大學(xué)聲學(xué)研究所的葛歡、范理等人對(duì)熱聲制冷機(jī)板疊的非線性阻抗做了系統(tǒng)的研究。他們的研究可以優(yōu)化聲源和帶板疊的熱聲諧振管之間的非線性聲耦合,提高熱聲制冷機(jī)的功率和效率。他們還發(fā)現(xiàn)揚(yáng)聲器振動(dòng)部件的非線性會(huì)影響制冷系統(tǒng)的諧振頻率,從而導(dǎo)致熱聲制冷系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率的降低。

        初步發(fā)展起來的非線性熱聲理論雖然可以對(duì)振幅飽和、頻率跳變等非線性效應(yīng)給出理論解釋,但現(xiàn)有的非線性熱聲模型還不完善,問題主要表現(xiàn)在求解非線性數(shù)學(xué)模型上。而且限于對(duì)傳熱過程物理機(jī)制的有限理解,還有很多因素需被考慮,有待進(jìn)一步完善。

        4 驗(yàn)證性工作

        針對(duì)熱聲制冷技術(shù),我們設(shè)計(jì)了熱聲制冷實(shí)驗(yàn),測量了其制冷效果。其關(guān)系如圖3所示:

        從圖3可以看出,該制冷機(jī)在室溫環(huán)境下,可以產(chǎn)生最大13.3℃左右的溫差,相比于室溫有9.2℃的降溫。在持續(xù)的做功下,實(shí)現(xiàn)了聲制冷,較好地符合了Rayleigh準(zhǔn)則。熱聲堆上下兩端的溫度隨著時(shí)間的推移都趨于飽和。這是因?yàn)樵诒脽岬倪^程中,熱聲堆上端的溫度不斷升高,當(dāng)熱聲堆上端的溫度高于或等于高溫氣團(tuán)的溫度時(shí),便不再發(fā)生傳熱。我們還發(fā)現(xiàn)在110s以后,熱聲堆下端的溫度有上升,這是因?yàn)闊崧暥焉隙藶楦邷貐^(qū),下端為低溫區(qū),從而產(chǎn)生溫度梯度,發(fā)生縱向?qū)幔@對(duì)制冷是不利的。所以在選擇合適的熱聲堆的材料時(shí),熱聲堆的材料的橫向?qū)嵯禂?shù)要大,縱向?qū)嵯禂?shù)要小。

        5 展望和總結(jié)

        熱聲制冷技術(shù)最近幾十年得到了快速的發(fā)展,尤其是共振型駐波制冷機(jī)和熱聲驅(qū)動(dòng)的脈管制冷機(jī),它們在低溫領(lǐng)域都得到了很好的應(yīng)用。在理論方面,線性熱聲效應(yīng)理論的發(fā)展已趨于成熟。對(duì)于系統(tǒng)中頻率跳變、振幅飽和等非線性效應(yīng)問題,人們已給出理論解釋,但非線性熱聲理論還有待進(jìn)一步完善。熱聲制冷相比于傳統(tǒng)的利用氟利昂來制冷的方法,具有環(huán)保、長壽命、高效節(jié)能、簡單輕便等明顯的優(yōu)勢,這使得熱聲制冷無疑會(huì)成為下一代制冷設(shè)備的首選。一旦熱聲制冷開始商業(yè)化,進(jìn)入尋常家庭,它將會(huì)為整個(gè)制冷工業(yè)帶來翻天覆地的變化。

        本文介紹了熱聲制冷技術(shù)的工作原理和其蘊(yùn)藏的物理知識(shí),闡釋了其復(fù)雜的技術(shù)中所基于的簡單物理原理,介紹了其發(fā)展所面臨的問題,并對(duì)理論模型得到的結(jié)論在實(shí)驗(yàn)上予以了驗(yàn)證,希望這項(xiàng)工作能夠讓更多的人了解熱聲制冷技術(shù)。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 吳鋒,李青,郭方中,等.熱聲理論的研究進(jìn)展[J].

        武漢工程學(xué)報(bào),2012,34(1).

        [2] 包銳.駐波型熱聲制冷機(jī)性能及其驅(qū)動(dòng)脈管制冷特性

        研究[D].浙江大學(xué),2007.

        [3] 馬彬,陳潤,王飛,等.熱聲效應(yīng)及其實(shí)驗(yàn)[J].聲學(xué)

        技術(shù),2005,4(1).

        [4] 陳國邦,湯珂,金滔.熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)脈管制冷

        機(jī)研究進(jìn)展[J].科學(xué)通報(bào),2004,49(9).

        [5] 周遠(yuǎn),羅二倉.熱聲熱機(jī)技術(shù)的研究進(jìn)展[J].機(jī)械工

        程學(xué)報(bào),2009,45(3).

        [6] 肖勇.熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)輸出特性研究[D].浙江大學(xué),2007.

        [7] 包銳,陳國邦,賈正中,等.錐形諧振管對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)

        機(jī)非線性效應(yīng)抑制作用的研究[D].浙江大學(xué),2006.

        [8] 葛歡,范理,張淑儀,等.熱聲制冷機(jī)板疊的非線性

        阻抗的研究[D].南京大學(xué),2014.

        基金項(xiàng)目:國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新性研究型平臺(tái)項(xiàng)目:基于熱聲制冷技術(shù)的噪聲調(diào)節(jié)溫室系統(tǒng);編號(hào):湘教通2015269。

        作者簡介:朱鶴雨(1993-),男,江蘇淮安人,湖南師范大學(xué)物理與信息科學(xué)學(xué)院研究生;文偉(1985-),男,湖南益陽人,湖南工業(yè)大學(xué)理學(xué)院教師,中科院博士。

        (責(zé)任編輯:王 波)

        猜你喜歡
        熱聲氣團(tuán)制冷機(jī)
        熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望
        非對(duì)稱雙級(jí)環(huán)路行波熱聲熱機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究*
        輸水管線啟動(dòng)填充過程含滯留氣團(tuán)瞬變流數(shù)值模擬
        基于后向軌跡模式的合肥市臭氧來源分析
        氣團(tuán)來源對(duì)沿海城市PM2.5中二次水溶性無機(jī)離子形成特征的影響研究
        HZ330CL橫折缺陷原因分析與改進(jìn)
        熱聲效應(yīng)及其應(yīng)用研究進(jìn)展
        高頻熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的聲耦合特性
        制冷機(jī)的制造與改造廣州圣嘉機(jī)電設(shè)備有限公司
        雙溫區(qū)雙冷指斯特林制冷機(jī)連管的設(shè)計(jì)
        真空與低溫(2015年4期)2015-06-18 10:47:26
        亚洲午夜久久久久中文字幕| 国产一区二区三区在线电影| 内射囯产旡码丰满少妇| 亚洲欧洲精品成人久久曰不卡| 青青草免费在线手机视频| 久久国产成人午夜av免费影院| 美丽人妻在夫前被黑人| 久久国产成人精品国产成人亚洲| 无遮挡粉嫩小泬| 亚洲男人免费视频网站| 内射人妻视频国内| 国产亚洲精品aaaa片app| 久久精品国产亚洲片| 亚洲精品在线视频一区二区| 国产产区一二三产区区别在线| 亚洲av无码av在线播放| 国产不卡一区在线视频| 日本一区二区在线高清观看| 亚洲一区二区三区播放| 国产一级片毛片| 日本加勒比一道本东京热| 激情内射人妻1区2区3区| 少妇装睡让我滑了进去 | 无码91 亚洲| 日本免费久久高清视频| 国产成人亚洲精品无码av大片| 亚欧AV无码乱码在线观看性色| 亚洲一区二区国产精品视频| 一区二区三区高清在线观看视频 | 一本久久精品久久综合| 免费操逼视频| 欧美色色视频| 亚洲桃色蜜桃av影院| 岛国av无码免费无禁网站| 欧美日韩亚洲精品瑜伽裤| 激情五月婷婷六月俺也去| 日本精品一区二区高清| 久久久久久伊人高潮影院| 西西人体大胆视频无码| 亚洲国产天堂久久综合网| 人人妻人人爽人人澡人人|