牛越开题报告.docx
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牛越开题报告
中南大学
研究生学位论文选题报告
（学位论文工作计划）
题目名称：
室外热环境模拟与影响因素分析
姓名：
李聪
学号：
133912044
攻读学位：
硕士
学科专业：
动力工程
学院（系、所）：
建筑环境与能源应用工程系
所在教研室
（科研所）：
建筑环境与能源应用工程系
指导教师：
刘蔚巍
填写日期：
2014.1.9
（选题报告由研究生填写，原件交研究生助理处）
2014年1月9日
一、课题来源、国内外研究现状与水平及研究意义、目的。
（附主要参考文献）
（1）课题来源
本课题来源于导师课题研究方向。
（2）国内外研究现状与水平
热声热机是一种通过热声效应实现热能与声能转化的装置。
从热声热机能量转化的方向来说热声热机可分为两种基本类型：
热声发动机和热声制冷机。
热声发动机是将热能转化为声能并储存于声场中，以供负载之用；热声制冷机利用声能泵热实现制冷，它是以消耗外界提供的声能为代价的。
对于复杂的热声系统来说，有时两者同时存在，如热驱动的热声制冷机。
经过多年的探索研究，国内外学者在热声热机理论研究和试验研究方面均取得了丰硕的成果。
2.1国外研究现状与水平
理论研究方面，热声热机已经成为一个独立的学科迅速发展，从1777年ByronHiggins在实验中揭示了热声效应和1979年美国GeorgeMason大学的Ceperley提出并实验证明了回热器的热声转换作用，到上世纪80年代以后，热声理论和热声热机的研究发展迅速。
1969年～1980年间，瑞士苏黎世联邦技术研究所的N．Rott[1]首次提出了热声振荡的定量理论。
他建立了理想气体的驻波声场，在理论上阐明并描述了热声效应中存在着热和功的相互转换，他导出的理论框架是分析热声热机的理论基础，是目前热声热机研究中公认最有效，也是应用最广泛的理论。
1988年，美国LosAlamos实验的Swift教授发表了“Thermoacousticengine”一文，提出了回热器热致声和声制冷效应的零界温度梯度，标志着Rott以后现代热声热机研究进入了一个新的阶段[2]。
1999年S.Backhaus和Swift教授发表了“Thermoacoustic-Stiringheatengine”一文，标志着热声热机开始进入了应用研究阶段[2]。
2009年，L.Skerget和J.Ravnik利用完整的Navier-Stokes方程并通过数值边界积分方程求解方法域或小波域分解和耦合，进行热声内的流场和温度场的数值计算，并对经典傅里叶热通量模型和波热传热模型进行了研究对比[3,4]。
实验研究方面，1992年，Swift[5]等成功研制出第一台驻波型热声发动机。
该发动机直径128mm，总长4230mm，采用He为工质，工作压力1.38MPa，获得了630W的声功，热效率为9%，最大声压幅值可达到平均压力的16%。
在实验中他们对加热功率，板叠热端和冷端温度以及系统中所产生的压力波进行了测量与分析，验证了线性热声理论对热声发动机小振幅工况的良好适用性。
1998年，美国Pennsylvania州立大学的Chen[6]等研制了世界上第一台太阳能驱动的驻波型热声发动机，他们以一根40cm长的一端开口的管作为谐振管，用一个大的凹面镜将阳光聚焦到陶瓷热声板叠的一端进行加热，最终得到420Hz，120dB的声波。
该实验装置的研制成功为太阳能利用提供了一个新的方向。
日本学者Tijani等[7]在2008年设计制作了一台热声斯特林发动机，他们把热端换热器放在环形管的上部，以便对热端换热器形状和大小进行独立的设计与选择而不受回热器尺寸的影响。
他们在对该发动机的实验研究过程中通过对2个不同的1/4波长谐振管进行了测试，第一个由于声波在谐振管中损耗过大而不能驱动RC声负载，为了避免这样的问题他们设计了第二个谐振管，以减少其中能量损耗为目的对其进行了优化设计，最终在150Hz的频率下，产生了190W的声功，效率达到22.5%，相对卡诺效率36%。
2.2国内研究现状与水平
国内很多学者针对热声热机做了深入的研究，具有代表性的是中国科学院理化技术研究所的罗二仓、李青等学者和郭方中老师带领的华中科技大学制冷与低温实验室研究团队以及浙江大学制冷与低温研究所陈国邦、邱利民等学者，此外上海交通大学、西安交通大学和天津大学在热声这一领域也做出了杰出的贡献，在此不再累述。
陈国邦[8]等在1996年研制出国内首台半波长驻波型热声压缩机，系统以氮气为工质时可得到最大压比1.12，氦气为工质时最大压比为1.06，为对称双边型热声驱动器，单边最大加热功率为1100W，谐振管长度4m。
他们利用该实验装置实验研究了加热温度、平均充气压力、谐振管长度和工质种类对热声压缩机性能的影响。
何雅玲[9]等在非稳态的交变流动与换热情况下，研究了平行通道内瞬时换热量、速度矢量与温度梯度的点积在整场上的积分值、速度矢量与温度梯度的夹角等在一周期内随时间的变化情况，从数值仿真的角度证明了场协同原理在交变流动中仍然适用。
罗二仓[10]等从拉格朗日的观点分析了交变流动制冷机回热器中微团的热力工程和热力循环，指出交变流动回热器中的气体微团不仅具有传统热力学观点的回热过程（逆流回热过程），同时还具有进行热生转换的压缩、放热、膨胀以及吸热等完整的热力过程。
汤珂[11]等根据回热器交变流动流道中心速度为零相位下的速度分布曲线的斜率情况，提出定量评价指标速度环状效应系数，并利用数值仿真软件，针对平行平板流道内层流交变流动，利用该评价指标定量分析了无量纲参数（包括瓦伦西数Va和最大雷诺数Remax）对速度环状效应的影响。
近10多年，国内外学者致力于热声制冷机及热驱动热声制冷机的实验研究，其目的是提高热声转换的效率，实现热声系统的匹配。
（3）研究意义及目的
热驱动热声热机具有如下几个突出的优点：
其一是完全没有运动部件，结构非常简单，从根本上消除了常规热机存在的磨损与振动，因此具有可靠性高、结构简单等优点，将热声发动机与热声致冷机组合可制成热驱动的制冷机。
它完全没有可动部件，具有高度的可靠性，特别适合于空间用低温电子学器件冷却的长寿命制冷器；第二是采用热能驱动，可利用低品位热能、余热、太阳能、天然气等作为热源，具有很大的灵活性和发展潜力。
采用低品位的热能和余热不仅有利于提高系统的热力学效率，而且对那些缺乏电能的场合则更具有实际意义。
同时，利用余热的热驱动热声热机使用惰性气体工质作为工作介质，具有良好的环保性。
热声制冷机的诸多优点使其在空间技术、天然气液化工业及环保和制冷业等多方面具有重要的应用前景；第三是热声热机以惰性气体作为工质，在环保性上优于传统制冷机所采用的以氟里昂为代表的工质气体。
故热声热机是一种新的、无污染低噪声的制冷技术。
目前广泛研究的热声热机一般由回热器、热端换热器、冷端换热器、气库和连接管道组成。
回热器被置于热段换热器与冷段换热器之间，通过两端的温差在回热器内部形成温度梯度。
气体工质在回热器内与填充材料进行换热，由于纵向导热与横向导热的不平衡以及气体本身的粘滞效应等一些列因素实现热能与声能之间的转换。
可以说回热器是热声发动机的核心部件，其内部的阻力与换热特性直接影响整个热机系统的效率和性能。
本课题旨在从多场协同的角度分析热声效应以及热声热机工作原理，探讨不同材料和结构回热器对热声转换性能的影响，以及对回热器与整个热声热机系统匹配程度影响，研究回热器表面形状与结构对回热器内交变流动的流场及热场的扰动作用，提高热声转换效率，从而提出能够指导热声热机回热器优化设计的合理建议。
参考文献
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机械工业出版社，2003．
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（1）2011.1
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[23]ShaoweiZhu，YoichiMatsubara．Anumericalmethodofregenerator[J]．Cryogenics，2003.10.002
注：
本报告一式两份。
第三学期末，交研究生助理.（院、系、所）管理存档。
二、研究内容，拟采取的研究方法、实验过程、预期成果。
（1）研究内容
本课题旨在通过研究回热器内部流动情况、内部结构对声场形成的影响作用以及填充材料的种类和结构对热声热机性能的影响，探讨回热器的传热特性。
通过研究传热特性可以找到影响回热器与整个热声热机系统匹配程度的因素，以达到提高热声热机效率的目的。
并且通过本课题的研究可以对热声热机的设计及性能优化提供指导性的作用。
主要内容如下：
1）根据传热优化的场协同理论，求解平行板叠回热器内交变流动的流场分布与热场分布，在合理的假设条件下给出流道中速度与分度分布的理论解，验证场协同理论在交变流动回热器内的正确性；
2）根据传热优化的场协同理论，利用数值仿真软件，模拟带有不同形状微肋的回热器在正常工作时内部的流场分布与热场分布；
3）通过实验获取不同结构以及材料回热器的传热特性，对模拟仿真的结果进行验证，并对其与热声热机系统频率匹配关系特点进行定性的验证；
3）结合理论研究与实验数据寻找影响回热器内部声场的主要因素，提出能够指导热声热机回热器设计的合理建议；
（2）拟采取的研究方法
本课题基于回热器热声转换机理，采用理论分析、数值模拟、实验研究相结合的方法来进行研究。
其一、理论研究：
参照线性热声理论、回热器中交变流动理论及相关文献中的设计公式对回热器结构、材料属性及回热器布置位置进行合理的变动，给出在合理假设条件下回热器内流场分布与热场分布的理论解，验证传热优化的场协同理论在交变流动中的正确性；
其二、数值模拟研究：
根据上述理论分析得出的数据，进行仿真模型建立，并利用ANSYS软件对各个模型进行结构动力学研究及谐响应研究，再利用Fluent软件对各个模型的传热效果进行数值研究，把模拟结果对比分析找出最优的模型。
其三、实验及数据采集：
实验内容主要是基于上述模拟结果取其中比较有代表性的结果所对应的模型对现有实验台进行改造，然后进行实验研究，所测试的参数为声压和温度。
传热效果的主要参考参数是冷热端换热器的温度差与声压幅值。
声压通过在实验台上布置的压电传感器测量，测量信号经专用软件转化为压力值。
温度值采用热电偶测量，测量点主要分布于热端换热器、冷端换热器及回热器内部以及余热利用换热器的两端和内部。
其他参数值由测量得到的温度值及压力值换算。
（3）实验过程
本研究主要以实验和理论相结合的研究为基础，结合数值结果进行方案的优选。
具体的研究方案可以分为以下四个阶段：
第一阶段：
根据理论计算确定回热器的结构参数及在谐振管中的布置位置。
第二阶段：
对不同材料、微肋的回热器及相应的声驱动热声制冷系统进行数值模型建立并利用ANSYS进行动力学响应分析，再用Fluent对个热声系统进行换热效果模拟研究。
第三阶段：
取其中比较有代表性的热声回热器结构对现有热声热机试验台进行改造。
第四阶段：
进行试验研究并把试验结果与数值模拟结果进行对比验证数值模拟结果的正确性；
以上实验方案中所使用的原材料均符合经济实用的基本原则，只要研究方法得当，是完全可行的，在本项目中所涉及到的研究方法在本课题组中均具有良好的研究基础，所以该研究方案是完全可行的。
（4）预期成果
通过本课题的实施，可以实现以下几方面的效果：
1.提出一种高性能的热声热机回热器；
2.初步探索声源频率与热声热机系统的匹配关系；
3.搭建一台性能较优的热声热机实验台；
4.至少发表1篇SCI检索期刊论文；至少发表1-2篇核心期刊论文。
三、已进行的科研工作基础和已具备的科学研究条件（包括在哪个实验室进行试验，主要的仪器设备等），对其他单位的协作要求。
（1）已进行的科研工作基础
本研究课题相关理论工作部分已经完成，包括板叠及异型板叠回热器的静力学和动力学模拟，声驱动热声热机实验台的搭建，求解平行板叠回热器理论解，验证场协同理论在可压缩交变流动中的正确性，平行板叠回热器内部的速度环状效应系数研究等。
（2）以具备的科学研究条件
本研究课题相关实验均在自有实验室进行，从2012年12月~2013年9月完成相关实验。
目前已经建造完成声驱动热声制冷实验台。
经实验证明，我们所搭建的声驱动热声制冷实验系统能够实现冷端温度降低的效果，但还需进一步优化改进。
在现有实验台上可以完成第一阶段实验。
现有主要仪器包括：
温度传感器、（压电式/压阻式）压力传感器、信号采集系统、温度显示仪表、真空泵。
实验经费由2012年国家自然科学基金“基于多场协同机理的热声回热器性能表征与优化研究（51276017）”和2012年湖南省研究生创新基金项目支持。
指导教师及课题组在热声热机方面有多年的研究经验，积累了扎实的实验经验和理论研究经验，为该课题的研究提供坚实的保障。
另外课题组成员各尽所长，团结一致为课题的研究提供源源不断的动力。
四、科研论文工作的总工作量（估计）、分研究阶段的进度（起迄日期）和要求。
科研论文工作的总工作量（估计）：
研究进度和要求：
一、实验研究阶段：
1.制订热声热机实验台改造方案；
2.购买相关的实验辅助设备，即传感器、信号发生器、功率放大器、数据采集设备等；
3.针对实际情况，提出初步的实验研究方案；
4.对实验方案进行详细的分析，制订出第一步的具体实验实施方案；
5.进行第一步的实验研究，采集实验数据（包括温度、声压等信号数据）；
6.通过不同的实验方案，初步得到回热器频率特性实验数据和余热换热器性能参数；
7.完成第一阶段的实验研究。
（完成日期：
～2014年1月30日）
二、理论研究和实验改进阶段：
8.对第一阶段采集的实验数据进行系统的分析和综合，确定回热器相关特性；
9.通过理论计算对板叠式及异型板叠等不同形式的回热器进行三维静力学响应分析；
10.运用ANSYS对板叠式及异型板叠式回热器进行空间动力学模拟，求出其谐响应状态结果；
11.并通过Fluent对个模型进行模拟对比分析其换热效果与回热器的关系；
12.根据模拟结果对实验台进行必要的改进；
（完成日期：
～2014年4月31日）
三、实验验证和数值研究相结合阶段：
13.对改进后的实验台进行实验；
14.对数值模拟研究结果以及实验结果进行全面的数据处理和分析；
15.初步提炼出热声回热器材料以及结构选择的指导原则；
16.根据设计方法和设计规范的实际应用效果的评估和分析，确定回热器内频率特性及优化设计方法；
17.对所有的一系列实验结果比较分析，探讨回热器填料结构对整机性能影响情况；
18.完成所有相关的研究报告；
（完成日期：
～2014年9月30日）
四、科研论文撰写及毕业论文准备阶段
（2013年9月30日～2014年12月31日）
五、所需经费预算。
（大约列出材料费、化验检测费、加工费、差旅费等）
序号
支出科目
金额（元）
计算根据及理由
1
预算支出合计
8000
2
仪器设备费
3000
实验设备与检测仪器
3
文献资料费
2000
研究学习与发表论文
4
调研差旅费
3000
调研与参加学术会议
六、指导和辅导、论文撰写（试验）的教师。
姓名
职称
指导（辅导）的内容
刘益才
教授、博士生导师
系统方案论证，系统研究与开发，论文开题以及撰写指导，审阅和修改。
七、指导教师意见：
指导教师（签章）年月日
八、教研室（科研所）审查意见：
（对选题报告作出评价，提出是否通过的建议）
教研室（科研所）负责人（签章）年月日
九、学院（系、所）审核意见：
单位负责人（签章）单位（签章）年月日
十、备注：
（签章）年月日
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