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1、华中科技大学 硕士学位论文 热声发动机特性的多速格子气模拟 姓名：张稳 申请学位级别：硕士 专业：制冷与低温工程 指导教师：张晓青 20090526 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 热声热机由于具有高可靠性、无污染性、寿命长等许多优点，得到越来越多的关 注。随着热声热机实用化的发展，要求不断提高比功率，这必然导致系统的声幅迅速 增大，使得非线性效应越来越明显，线性热声理论将难以提供满意的预测，需要探索 新的模拟分析方法。因此，将格子气方法应用于热声发动机的数值模拟中，是全新的 课题。在总结前人研究成果的基础上，得到了
2、以下几方面研究结果： 1. 初步建立了 D2Q13 热声格子气模型，将热声与 d2q13 格子气模型结合具有一定得 探索性。设计了相应的碰撞规则、边界处理方法，模拟所得的热声发动机的温度响 应曲线结果合理，表明了模拟的假设可行。 2. 采用 D2Q9 格子气模型，模拟了带谐振腔的热声发动机。比较了带谐振腔模型和直 管模型的起振过程，模拟了带谐振腔模型的温度分布和沿管长方向的温度梯度。重 点研究了系统稳定后一个周期内，压力波的传播和反射过程，并进行可视化分析。 研究结果表明，增加谐振腔有助于增大系统压力增幅，半波长谐振腔的压力幅值出 现在谐振管的两封闭端，与理论分析吻合较好。 3. 分析了多体碰
3、撞规则的影响，表明多体碰撞规则的生成更易于显现非线性效应，模 拟结果更接近实际。同时，提高高温热源温度，有助于压力振幅的增大。 4. 分析了回热器的流场，对板叠内水平方向的速度进行了处理，同时对换热器附近的 流场进行了可视化处理。研究结果反映了板叠内水平方向的周期振荡，以及换热器 两端空腔区域由于流场突变带来的涡流效应。 关键词：关键词：热声发动机，格子气，谐振腔，压幅，流场 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Thermoacoustic heat engines, which have some advant
4、ages, such as high reliability, no pollution, long non-maintenance, attracts more and more interest in academic circles. The development of thermoacoustic technology requires increasingly high specific power, and in turn requires high acoustic amplitude conditions which produce various nonlinear eff
5、ects, in this case, linear thermoacoustic theory can not provide satisfactory predictions. It is necessary to investigate new simulation analysis method. Therefore, it is an exploring work that using lattice gas method simulated thermoacoustic engines. Based on the formers work, the research work ha
6、s been focused on following points: 1. A D2Q13 lattice gas model for thermoacoustic engines is built initially, which is an exploring work. The collision rule and border is designed. The results of the curve of the temperature response in thermoacoustic engines, which is logical, shows the assumptio
7、n is feasible. 2. A resonant cavity of thermoacoustic engines is simulated and analyzed using D2Q9 lattice gas model. The onset process is compared between resonant cavity model and straight tube model and, The temperature distribution and temperature gradient along the direction of tube length is s
8、imulated. The propagation and reflection of the pressure wave in one cycle after steadily has been analyzed preliminarily. The results shows, the pressure amplitude is magnified in the resonant cavity model and, emerged at the two closed-end of the resonator. It is consistency with theory. 3. The in
9、fluence of the muti-particles collision rule is considered, and shows the nonlinear effects is more clear. Moreover, the pressure amplitude is magnified by the larger hot temperature. 4. The flow field of resonator is analyzed. The horizontal oscillation velocity in the stack is disposed and the fie
10、ld near the hot exchangers is visualized. The period oscillation of the velocity and the mutation of the flow field near the heat exchangers is reflected. Keywords: thermoacoustic engines, lattice gas, resonator cavity, pressure amplitude, flow field 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果
11、。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 在_年解密后适用本
12、授权书 本论文属于 不保密 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 包含的内容共分 3 个小节：第 1 节指出研究所依据的课题背景和研究意义；第 2 节对课题研究的历史进展及国内外现状进行综述；第 3 节介绍了研究的主要内容。 1.1 课题的研究背景和意义 在现代社会中，能源成为人们不可或缺的一部分。能源是国民经济中的重要基础， 是现代化生产的主要动力来源。随着人们对能源利用的掠夺式开发，使得人类的生存 环境受到了日益
13、严重的威胁，环境问题越来越严重，温室效应、酸雨、臭氧层破坏、 热污染以及放射性污染等等，都成为人们难以消除的心头之痛1。目前，作为提供能 源动力的热机，其能源消耗大多来自煤、天然气以及石油等不可再生能源。而热声热 机，由于其独特的优越性，得到了越来越多专家学者们的关注。相比于传统的热机， 热声热机拥有以下 4 个优点： （1）结构简单，无运动部件，消除了由于机械运动部件 造成的磨损与振动，从而提高了可靠性，使用寿命更长； （2）能够实现微型化的需求， 为计算机等大型高速运转的仪器进行冷却或提供动力； （3）是一种无污染的技术，其 所需工质采用惰性气体作为气体工质，从而避免了对大气的污染和破坏；
14、 （4）所利用 的能量为太阳能、 废能以及燃气能等低品位能量作为热源， 充分的进行了能源的利用， 同时加大了对可再生能源的应用，具有节能环保的优越性。 目前，Rott 的热声理论2-8，以及 Swift 的进一步研究9，都使得线性热声理论发 展的比较完善。 但是， 随着热声理论投入实际应用进程的发展， 要求不断的提高压比， 加大比功率，使得非线性和多尺度流动现象对热声装置性能存在着很大的影响，从而 使得线性模型难以预测装置的性能和换热流动特性。由于热声理论研究和实验装置大 多都集中在线性区域，非线性热声理论的发展还不够完善，因而热声装置的数值模拟 不可避免的受到越来越多的关注10,11。但是现
15、行的大部分模拟工作，仍然围绕着准一 维近似的热声理论来模拟，且传统的数值方法是基于流体的宏观连续性假设的，通过 对连续性方程的离散化，从而对离散化的方程进行求解，并模拟相应的微分方程。这 就造成了传统数值方法的两种局限性，要么为了模型的易于实现，而有大量的假设来 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 进行简化，要么考虑很多因素，从而使得建模求解困难。 基于介观方法的格子气和格子 Boltzmann 的提出和发展，则为热声热机的数值模 拟提供了一种全新的方式。由于格子气方法算法简单，边界条件处理方便，能够实现 并行运算，以及建模容易等优
16、点，通过对热声热机谐振腔等各部件的数值模拟，对热 声热机流场的具体分析，并对各参数进行变化比较，能够对各种不同模型结构和状况 下的物理模型进行模拟。 这些模拟预测， 将为复杂的热声系统设计提供可靠性的指导， 也为热声热机的有效分析提供新的解决途径。 1.2 课题研究的历史进展及现状 1.2.1 热声理论的发展 早在 200 多年前，人们就发现了热声效应。吹玻璃工人被认为是最早发现热声现 象的。一端封闭而另一端开口的玻璃管，对封闭端进行加热时，声音就会从开口端产 生并输出。这其中最著名的例子就是 Sondhauss 管和 Rijke 管。1896 年,Rayleigh L.首 次定性的解释了 Sondhauss 管12，按
