熱聲板疊式回熱器結構動(dòng)力學(xué)分析

第42卷第11期中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)vol, 42 No 112011年11月Journal of Central South University(Science and Technology)Nov.2011熱聲板疊式回熱器結構動(dòng)力學(xué)分析劉益才,辛天龍,陳思明,楊培志,馬衛武(中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長(cháng)沙,410083)摘要:分別利用 Solidworks和 ANSYS軟件對熱聲系統中回熱器的熱聲機理從結構動(dòng)力學(xué)角度進(jìn)行模擬研究。建立三維板疊式回熱器的物理模型,得到在0.5,0.6和07MPa充氣壓力作用下和在系統內諧振動(dòng)作用下回熱器的各動(dòng)力學(xué)參數的響應及其分布。從模擬結果得出:回熱器在熱聲系統振動(dòng)中存在多種模態(tài):在低頻段各點(diǎn)應力應變基本吻合,高頻段各點(diǎn)差異逐漸增大;在一階固有頻率3300Hz附近,回熱器內各點(diǎn)的應力和應變達到最大值。關(guān)鍵詞:熱聲;回熱器;模擬;動(dòng)力學(xué)響應;模態(tài)中圖分類(lèi)號:TG651文獻標志碼:A文章編號:1672-7207(201)13551-05Analysis of structural dynamics inthermoacoustic flat-plate regeneratorLIU Yi-cai, XIN Tian-long, CHEN Si-ming, YANG Pei-zhi, MA Wei-wu(School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)Abstract: Mechanism of regenerator in thermoacoustic system was studied using Solidworks and ANSYS softwareSimulation was made from the new perspective of structural dynamics. A three dimensional physical model of theflat-plate regenerator was obtained Under different inflation pressures which were 0.5, 0.6 and 0. 7 MPa respectively andthe harmonic condition, the response of various dynamics parameters and distribution on the regenerator was gained. Thesimulation results show that regenerator in the thermoacoustic system exists in a variety of vibration modes. Stress andstrain are almost coincident in the low frequency band while the difference gradually increases with the frequency is inthe high band. At 3 300 Hz of the first order natural frequency, stress and strain of the points inside the regenerator reachthe maximumKey words: thermoacoustic; regenerator; simulation; dynamic response; mode作為熱聲系統的關(guān)鍵部件,回熱器的調相機理及處于密閉環(huán)境當中固體介質(zhì)與氣體介質(zhì)間復雜的相互其在熱聲中的實(shí)質(zhì)作用一直被國內外廣泛研究與。在作用必然會(huì )形成某種作用力,這一作用力對于回熱器熱聲系統回熱器中沿固體壁面傳播的聲波和作用于該乃至整個(gè)熱聲系統熱聲轉換效率的影響還沒(méi)有深入研方向的固體溫度梯度相耦合會(huì )造成一個(gè)橫向的熱波,究。根據結構聲理論,當某個(gè)力作用于結構上時(shí),會(huì )實(shí)際上就是利用填充材料調節熱波與速度波之間的相引起結構自身的振動(dòng),這也是結構聲產(chǎn)生的一個(gè)重要位差使得熱波相位滯后于速度波相位,這可以說(shuō)是目原因即振動(dòng)激勵214。研究表明回熱器聲學(xué)特性與頻前公認的回熱器調相機理6。然而在這一過(guò)程中率存在一定關(guān)系,在某一頻率下其聲學(xué)特性最佳。而收稿日期:2010-12-17;修回日期:20I103-25基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(5066110):中南大學(xué)研究生學(xué)位論文創(chuàng )新選題基金資助項目(20095x1082)通信作者:劉益才(1968-),男,湖南邵陽(yáng)人,教授,從事熱聲熱機、斯特林制冷機、高效蓄冷蓄中國煤化工冷系統振動(dòng)和噪聲抑制等研究;電話(huà):13755052517;E-mail:lyccsu@csu.edu.cnCNMH中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第42卷結構聲是回熱器機構所固有的聲學(xué)特性,值得注意的是,當結構發(fā)生振動(dòng)時(shí)是以多個(gè)模態(tài)振動(dòng)。當某個(gè)模態(tài)的固有頻率與熱聲熱機系統的振蕩頻率一致時(shí)究竟會(huì )對系統效率造成何種影響還需要進(jìn)一步的研究。黃謙等以平面二維結構只針對回熱器中的一塊板進(jìn)行過(guò)模態(tài)分析研究,本文作者從三維空間結構針對回熱器填充材料整體由于振動(dòng)所激勵產(chǎn)生的一些影響結構聲輻射的參數進(jìn)行分析。1模型建立為了更為清楚地分析回熱器內結構聲輻射的產(chǎn)生圖2三維板疊的荷載分布機理,需要建立理論模型。目前所使用的回熱器中,Fig 2 Load distribution in regenerator板疊由于熱聲轉換效率高,制造較為容易,結構簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用,而且其仿真模型也易于建立,因12動(dòng)力學(xué)模型建立此,以板疊回熱器作為研究對象。以前面相同結構參數的回熱器結構為例進(jìn)行建1.1靜力學(xué)模型建立模,利用 ANSYSII0軟件建立熱聲熱機中回熱器有限圖1所示為回熱器三維模型回熱器外圓直徑為元模型。采用關(guān)鍵點(diǎn)生成線(xiàn),線(xiàn)生成面、網(wǎng)格劃分面44mm,長(cháng)度為40mm。板疊間距相同為1mm,板厚拉伸掃掠生成體單元等方法建立有限元模型。根據結為0.8mm的回熱器結構模型的應力分布、形變等物構本身的受力情況,單元類(lèi)型采用 PLANE82和SOLID95。模型總共包含29274個(gè)單元及153115個(gè)理量。充氣壓力為05MPa,由于回熱器是固定在熱節點(diǎn),模型網(wǎng)格劃分圖見(jiàn)圖3。聲系統中的,因此,回熱器外柱面定義為受約束面,圖2所示為其中一個(gè)模型的荷載分布。板疊的材料為鍛造不銹鋼,彈性模量E=200GNm2,密度p=7800kgm3,泊松比=0.28。該模型基于以下幾種假設:()板疊處于氣體介質(zhì)中,不考慮周?chē)黧w介質(zhì)的黏性,較之在實(shí)際流體中板疊的振動(dòng)幅度衰減較慢;(2)板疊材料的物性參數如彈性模量、密度等不隨外界因素的變化而變化;(3)設板疊處于恒壓環(huán)境中。圖3 ANSYS網(wǎng)格劃分圖Scheme of ANsYS mesh2數值模擬21靜力條件下的模擬結果靜力條件下的狀態(tài)相當于熱聲熱機工作前的充氣狀態(tài),研究該條件下的回熱器特性有助于更進(jìn)一步研圖1三維板疊空間模型究充氣壓力對熱聲中國煤化工Fig1 Three-dimensional model of regenerator圖4所示是用asHCNMHGEXPress第11期益才,等:熱聲板疊式回熱器結構動(dòng)力學(xué)分析3553分析向導分析模擬的一組板厚度和板間距分別為08從圖4可以看出:板疊的應力和形變分布趨勢基和1mm的板疊式回熱器的應力和形變分布,在充氣本上是對應的,板疊的套筒外表面受到一定程度的微壓力分別為05,06和07MPa下的回熱器內應力最弱應力,應力和形變主要分布在套筒內表面和板上大點(diǎn)的比較如圖5所示。也即表明板疊結構聲激勵源主要是板和套筒內表面從結構聲輻射理論來(lái)分析,這種應力和形變最終影響應力(kNm5999×10回熱器結構中的聲學(xué)特性,導致結構聲的產(chǎn)生,進(jìn)步影響回熱器中氣體微團的運動(dòng)。整個(gè)板疊尤其是中5.179X104769×102間板的振動(dòng)模態(tài)由原來(lái)的1階振動(dòng)模態(tài)逐漸變?yōu)?階,4359×102甚至3階振動(dòng)模態(tài)。另外從上述模擬結果可以看出:3948×1023.538×10F2板的最大形變和應力分部都在板的中部位置但對于整3.128×102個(gè)回熱器來(lái)說(shuō)最大形變和應力并不是回熱器正中間的2.718×1022.307×102板上,這是由于中間板的上下面受力基本趨于平衡,1897×102而與正中對稱(chēng)的兩邊估計是力和本身長(cháng)度綜合作用的1487×10結果。屈服力:2068×10°從圖5可以看出:隨著(zhù)充氣壓力的提高,應力最形變/n994×105大值逐漸增大,但其趨勢卻趨于平緩,圖中的點(diǎn)為計1.828×10算點(diǎn),曲線(xiàn)不代表實(shí)際應力的變化趨勢1.662×1022 ANSYS的諧振動(dòng)分析329×10進(jìn)一步分析回熱器在熱聲起振后即諧振動(dòng)作用下1163×10的各種響應。諧響應分析是用于確定線(xiàn)性結構在承受9971×10°8.309×10°隨時(shí)間按正弦(簡(jiǎn)諧)規律變化的載荷時(shí)穩態(tài)響應的6.647X10種算法。利用 ANSYS軟件的諧響應分析功能,來(lái)計4.985×10算一定材料和確定結構在受一定頻率范圍內周期性載324×101.162×10荷作用下的響應情況,以定量分析結構在持續的周期000×10載荷作用下的變化規律。分析的目的是計算結構在幾(a)應力分布:(b)形變分布種頻率下的響應并得到一些響應值對頻率的曲線(xiàn)。該圖40.8mm板厚回熱器的應力和形變分布技術(shù)計算結構的穩態(tài)受迫振動(dòng),不考慮結構發(fā)在激勵Fig 4 Stress and strain distribution in 0. 8 mm thickness開(kāi)始時(shí)的瞬態(tài)振動(dòng)。諧響應分析是一種線(xiàn)性分析,非regenerator線(xiàn)性特性被忽略。先對模型進(jìn)行了模態(tài)分析,得到了各階對應的固有頻率。定義回熱器在諧振管內不受約束,諧振動(dòng)分析中初始條件的選取有3個(gè):幅值、相位角和強制頻率的范圍,根據熱聲熱機系統的運行條件,選取幅值為05MPa,即初始充氣壓力,相位角為0,頻率范圍根據前面的模態(tài)分析結果選為30003500Hz。分別得出了回熱器諧振動(dòng)下的應力響應云圖和應變響應云圖如圖6和7所示。從圖6和7可知:應力和應變相對應;對比圖60.550.600.70和4可以得出:靜力下熱聲回熱器的應變起主要作用充氣壓力Pa圖53組不同壓力下回熱器內應力最大點(diǎn)的比較動(dòng)力下回熱器的應變是靜力和波動(dòng)兩者的疊加,說(shuō)明g5 Comparison of maximum stress point in regenerate了熱聲諧振時(shí)波司中國煤化工于充氣壓under three different pressures力對其的作用力HCNMHG中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版第42卷2251750.75應變90011000224×1010452×10-10.904×10-10.136×1010.81×10-10頻耳率/Hz圖6回熱器諧響應應變云圖圖8低頻段板上各點(diǎn)隨頻率的位移變化Fig 6 Cloud picture of harmonic strain response inFig8 Variation of displacements for points with1.6應力(Nm2)0.360.370.731.091.461.822.192.552.9232800031003200330034003500頻率/Hz圖7回熱器諧響應應力云圖圖9固有頻率段A點(diǎn)隨頻率的位移變化Fig7 Cloud picture of harmonic stress response inFig9 Variation of displacements for point A atregeneratornatural frequency進(jìn)一步研究了板疊回熱器板上一些特殊點(diǎn)的振動(dòng)波產(chǎn)生的一個(gè)重要原因。響應情況。以點(diǎn)0,0,0.02)為中心建立三維坐標系選取從圖9可以看出:該回熱器的1階固有頻率為的4個(gè)點(diǎn)的坐標分別為點(diǎn)A(0,0,0.02),B(0,0,0),C(0,3380H,這與模態(tài)分析的結果相對應,故在這個(gè)頻0,0.04)和D(O,0.019918,0.02)。得到4個(gè)點(diǎn)關(guān)于頻率率下回熱器節點(diǎn)的應力和應變最大,回熱器達到共振。的y方向位移變化,結果如圖8所示。分析了A點(diǎn)即但就一般熱聲系統而言,系統工作時(shí)的諧振頻率并沒(méi)中間板的中心點(diǎn)在一階固有頻率附件的位移隨頻率的有這么高,究其原因可能和諧分析本身是對于線(xiàn)性結變化,結果如圖9所示。構,忽略了系統非線(xiàn)性以及計算過(guò)程中受到計算機精從圖8可以看出:不同頻率作用下,回熱器板上度等原因造成的各個(gè)點(diǎn)的位移變化相差不大,并且隨著(zhù)頻率提高,位移變化越來(lái)越小。隨著(zhù)頻率的進(jìn)一步提高,板上不同點(diǎn)的位移變化相差越來(lái)越大,說(shuō)明在高頻段回熱器各3結論個(gè)點(diǎn)受到振動(dòng)的影響各異,因此,反過(guò)來(lái)在高頻熱聲熱機工作狀況下板對振動(dòng)的影響也會(huì )出現較大差異(1)對熱聲系化,這可能是高頻熱聲熱機工作下不穩定性和多次諧諧相應等一系列HH中國煤化工了靜力和CNMHG度去探討第11期劉益才,等:熱聲板疊式回熱器結構動(dòng)力學(xué)分析3555熱聲系統中回熱器調相的機理。以板疊回熱器為例,[劉益才,張明研,黃謙,等.熱聲熱機板疊式回熱器結構數值建立了其靜力和簡(jiǎn)諧力作用下的物理模型,得出回熱計算門(mén)中南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2010,41(3):116-1189器的應力應變及其在回熱器結構內的分布。LIU Yi-cai, ZHANG Ming-yan, HUANG Qian, et al. Numerical2)從應力一應變云圖可以看出:回熱器在熱聲系統的振動(dòng)存在多種模態(tài),模態(tài)的存在是產(chǎn)生熱聲諧波的一個(gè)根本原因,這取決于回熱器本身的聲結構特性。Science and Technology, 2010, 41(3): 1186-1189[8]劉益才楊智輝,劉振利,等.熱聲熱機諧振管截止頻率選擇(3)回熱器在簡(jiǎn)諧力響應下,其板上各點(diǎn)在低頻機理門(mén)]中南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2006,37(4):759762段應力一應變基本吻合,高頰段差異逐漸增大,在固LIU Yi-cai, YANG Zhi-hui, LiU Zhen-li, et al. Mechanism of有頻率附近位移出現明顯峰值。cutoff frequency of resonator tube in thermoacoustic engine](4)低頻段回熱器內各點(diǎn)的動(dòng)力響應基本Journal of Central South University: Science and Technology,致,在此工況下熱聲系統內振動(dòng)易達成一致,不會(huì )產(chǎn)2006,37(4):759762生較多雜波,隨著(zhù)頻率的提高,各點(diǎn)對振動(dòng)的差異逐⑨] Cheng b,JT. Experimental investigation on the onset and漸增大,這將導致熱聲的不穩定性和雜波等對輸出功的影響。mover[]. Cryogenics, 1999, 39(10): 843-846.[10] Dai W, YuG Y, Zhu S L, et al. 300 Hz thermoacoustically drivenpulse tube cooler for temperature below 100 K[]. Applied參考文獻Physics Letters,2007,90(2):104-124.[ll] Chen G B, Jiang J P, Shi J L. Influence of buffer on resonance1 Swift G W. Thermoacoustic engine]. Acoustic Soc Am, 1988ustic engine. Cryogenics, 2002,84:1145-1180.42(314):223-22712]HzJ,Lio,LiQ,etal. A high frequency cascade[2]杜功煥,朱哲民,龔秀芬,聲學(xué)基礎M.2版.南京:南京大thermoacoustic engine[]. Cryogenics, 2006, 46(11): 771-777學(xué)出版社,2001:259-267.[3] Tijani M E H, Zeegers JC H, de Waele A T A M. ConstructionDU Gong-huan, ZHU Zhe-min, GONG Xiu-fang. Acousticsand performance of a thermoacoustic refrigerator[]. Cryogenics,Foundation[M]. 2nd ed. Nanjing: Nanjing University Press, 2001:2002,42():5966.259267[4]張曉青,郭方中熱聲熱機中回熱器的數值計算與分析[[13]馬大獻,沈豪.聲學(xué)手冊[M北京:科學(xué)出版社,2006華中科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2001,293):87-89164-176ZHANG Xiao-qing, GUO Fang-zhong. Numerical calculatioMA Da-qiu, SHEN Hao. Acoustics handbook[M]. Beijing:and analysis of regenerator in thermoacoustic heat engines[].Journal of Huazhong University of Science and Technology:[14]何祚鏞.結構振動(dòng)與聲輻射[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出Science and Technology, 2001, 29(3): 87-89.版社,2001:67-98[5]陳熙,李青,李正宇,熱聲熱機網(wǎng)絡(luò )模型演化與機理初探HE Zuo-yong. Structure vibration and radiation IM. Harbin[門(mén)低溫工程,2004(1)27-31Harbin Engineering University Press, 2001: 67-98CHEN Xi,, LI Qing, LI Zheng-yu,tl. Network model of[15]黃謙,劉益才,張明研,等.熱聲回熱器結構頻率的數值研究thermoacoustic engine and study on the mechanism)[低溫與超導,2008,36(11)16.Cryogenics, 2004(1 ) 27-3HUANG Qian, LIU Yi-cai, ZHANG Ming-yan, et al. Numerical[6]羅二倉,戴巍,RayR.交變流動(dòng)回熱器的熱聲功能和回熱功e frequency能[工程熱物理學(xué)報,2006,27(1)14regenerator]. Cryogenics and Superconductivity, 2008, 36(11)LUO Er-cang, DAI Wei, Ray R. Thermoacoustic and 1-6recuperative functions of a cyclic-flow regenerator[]. Journal of(編輯陳愛(ài)華)中國煤化工CNMHG