高頻微型熱聲制冷機板疊制冷特性模擬仿真研究*

2015-11-23 03:04汪建新

機械研究與應用 2015年2期

汪建新，郭峰

(內(nèi)蒙古科技大學，內(nèi)蒙古包頭 014010)

0 引言

利用熱聲效應原理設計的熱聲制冷機具有結構簡單、振動噪聲小、壽命時間長、運行可靠的特點，關鍵是可以采用空氣或者惰性氣體作為介質(zhì)，避免采用氟利昂造成的污染。而高頻微型熱聲制冷機在解決微電子系統(tǒng)散熱問題上具有極大的優(yōu)點［1］，并且便于一體化安裝。

1 高頻微型熱聲制冷機結構及其參數(shù)

設計的微型制冷機采用理想空氣作為工作介質(zhì)。為達到微型化的的目的，擬定聲源工作頻率5 000 Hz，考慮到整機尺寸，為盡量減小諧振管尺寸，擬定采取1/4波長結構。L=c/4f，式中:L為諧振管長度，c為工作環(huán)境下的聲速，f為諧振頻率。調(diào)整微型熱聲制冷機尾腔尺寸使其達到與聲源振動頻率相近的縱向諧振頻率，避免了諧振腔的設計，減小了體積，有利于微型化。入口直徑28 mm，中間直管段的直徑12 mm，長度17 mm，后腔直徑32 mm，長度12 mm，壁厚為1 mm，圖2給出刨面試圖。諧振管材料不銹鋼，不銹鋼的材料具體參數(shù)為:彈性模量 E=2．06×1011Pa，泊松比 u=0．30，厚度為 1 mm。材料密度Density=7 850 kg/m3。板疊長5 mm，寬0．08 mm，板疊材料為銅。

模型的采用Solidworks 2012建模軟件建立實體模型，模態(tài)分析采用Ansys Workbench12平臺，約束條件為限制諧振管左端全向自由度。模態(tài)分析的結果如圖1所示，由圖1模態(tài)分析可知諧振管第三階諧振頻率4 810 Hz接近5 000 Hz。設計的諧振管具體尺寸如圖1所示。

圖1 第三階固有振型

圖2 諧振管刨面圖/mm

2 模型選擇以及邊界條件設置

根據(jù)上式雷諾數(shù)可得，取u取1．822×10-5Pa·s，ρ=1．21×103kg/m3，v取 347 m/s ，l取制冷機入口直徑28 mm，得到雷諾數(shù)R e值遠遠超過2000，因此本次數(shù)值仿真模擬采用標準湍流k-ε模型。使用中等湍流密度，這種設定適合絕大多數(shù)模擬［2］。其中湍流強度(Turbulent intensity=5%)。選擇壓力入口邊界條件，壓力選擇余弦壓力波動形式［3］，其形式如下:P=101325×0．02×cos(2×3．14×5000×t)，壓比為0．02。作為對比的板疊溫度曲線壓比采用0．01。流體采用理想氣體空氣，其主要參數(shù)有熱導率、運動粘性系數(shù)、密度和單位質(zhì)量的比熱。初始溫度設置為300 K，操作環(huán)境壓力選為101 325 Pa。忽略重力因數(shù)的影響，采用邊界壓力入口作為初始化的條件。

流體與固體的交界面用熱邊界條件中的流固自動耦合條件。壁面條件采用絕熱無滑移模型。選用分離隱式、非穩(wěn)態(tài)的求解器，壓力修正為Simplc算法，壓力采用二階離散格式，動量方程、能量方程和密度方程均離散采用三階MUSCL格式。

時間步長選擇波動周期的1/10，為0．00002 s，用Fluent UDF編寫波動壓力入口條件程序［4］。

UDF壓力入口程序:

#include"udf．h"

DEFINE_PROFILE(unsteady_pressure，thread，position)

{

face_t f;

begin_f_loop(f，thread){

real t=RP_Get_Real("flow-time");F_PROFILE(f，thread，position)=101325*0．02*cos(2*3．14*5000*t);

}

end_f_loop(f，thread)}

2．1 板疊的溫度分布

實驗模擬的駐波熱聲制冷機，板疊在直諧振管中，具有相同的入口壓力條件，因此本次模擬放入了一塊板疊，具有簡化意義，如圖2所示。板疊距離左端入口為5 mm。選兩個監(jiān)測點，分別為距離板疊左右兩端點0．1 mm，坐標為點 A(5．1 mm，0)，點 B 點(9．9 mm，0)，迭代進行了 5 600步，時間步長數(shù)為400步，可見冷端熱端溫度都已經(jīng)穩(wěn)定了。其中溫度單位為K，板疊溫度的變化如圖3所示。

圖3 整個管內(nèi)溫度云圖

由圖3能夠清楚地觀察出熱聲制冷效應，熱端冷端有清楚的溫度差。熱點A溫度約上升了0．0022 K，冷點B溫度約下降了0．001 K，板疊左右兩端溫差大約0．003 K，而壓比為0．01(相同條件下)的板疊左右兩端溫差大約為0．0013 K。證明提高壓比能夠提高熱聲效率。

從單個板疊來看溫差很微小，但是從總體來看，整個模型有了2 K的變化，那么當加上很多等距的板疊時，溫差會有顯著的變化，可以實現(xiàn)制冷。此處模擬將理想空氣看作換熱器，僅僅起到了一個熱容的作用，所以沒有外部負載的輸入。這樣冷端換熱器右端管內(nèi)的空氣就成了負載，在熱聲效應作用下，就會源源不斷的從右端吸收熱量，板疊源源不斷地把熱量和冷量積累到左右兩段的空氣中，隨著時間的推移，右端溫度會不斷降低，因此產(chǎn)生的溫差遠遠大于板疊縱向本身的溫差［5］。