热声板叠式回热器结构动力学分析

第42卷第11期中南大学学报(自然科学版)vol, 42 No 112011年11月Journal of Central South University(Science and Technology)Nov.2011热声板叠式回热器结构动力学分析刘益才,辛天龙,陈思明,杨培志,马卫武(中南大学能源科学与工程学院,湖南长沙,410083)摘要:分别利用 Solidworks和 ANSYS软件对热声系统中回热器的热声机理从结构动力学角度进行模拟研究。建立三维板叠式回热器的物理模型,得到在0.5,0.6和07MPa充气压力作用下和在系统内谐振动作用下回热器的各动力学参数的响应及其分布。从模拟结果得出:回热器在热声系统振动中存在多种模态:在低频段各点应力应变基本吻合,高频段各点差异逐渐增大;在一阶固有频率3300Hz附近,回热器内各点的应力和应变达到最大值。关键词:热声;回热器;模拟;动力学响应;模态中图分类号:TG651文献标志码:A文章编号: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作为热声系统的关键部件,回热器的调相机理及处于密闭环境当中固体介质与气体介质间复杂的相互其在热声中的实质作用一直被国内外广泛研究与。在作用必然会形成某种作用力,这一作用力对于回热器热声系统回热器中沿固体壁面传播的声波和作用于该乃至整个热声系统热声转换效率的影响还没有深入研方向的固体温度梯度相耦合会造成一个横向的热波,究。根据结构声理论,当某个力作用于结构上时,会实际上就是利用填充材料调节热波与速度波之间的相引起结构自身的振动,这也是结构声产生的一个重要位差使得热波相位滞后于速度波相位,这可以说是目原因即振动激励214。研究表明回热器声学特性与频前公认的回热器调相机理6。然而在这一过程中率存在一定关系,在某一频率下其声学特性最佳。而收稿日期:2010-12-17;修回日期:20I103-25基金项目:国家自然科学基金资助项目(5066110):中南大学研究生学位论文创新选题基金资助项目(20095x1082)通信作者:刘益才(1968-),男,湖南邵阳人,教授,从事热声热机、斯特林制冷机、高效蓄冷蓄中国煤化工冷系统振动和噪声抑制等研究;电话:13755052517;E-mail:lyccsu@csu.edu.cnCNMH中南大学学报(自然科学版)第42卷结构声是回热器机构所固有的声学特性,值得注意的是,当结构发生振动时是以多个模态振动。当某个模态的固有频率与热声热机系统的振荡频率一致时究竟会对系统效率造成何种影响还需要进一步的研究。黄谦等以平面二维结构只针对回热器中的一块板进行过模态分析研究,本文作者从三维空间结构针对回热器填充材料整体由于振动所激励产生的一些影响结构声辐射的参数进行分析。1模型建立为了更为清楚地分析回热器内结构声辐射的产生图2三维板叠的荷载分布机理,需要建立理论模型。目前所使用的回热器中,Fig 2 Load distribution in regenerator板叠由于热声转换效率高,制造较为容易,结构简单的优点被广泛使用,而且其仿真模型也易于建立,因12动力学模型建立此,以板叠回热器作为研究对象。以前面相同结构参数的回热器结构为例进行建1.1静力学模型建立模,利用 ANSYSII0软件建立热声热机中回热器有限图1所示为回热器三维模型回热器外圆直径为元模型。采用关键点生成线,线生成面、网格划分面44mm,长度为40mm。板叠间距相同为1mm,板厚拉伸扫掠生成体单元等方法建立有限元模型。根据结为0.8mm的回热器结构模型的应力分布、形变等物构本身的受力情况,单元类型采用 PLANE82和SOLID95。模型总共包含29274个单元及153115个理量。充气压力为05MPa,由于回热器是固定在热节点,模型网格划分图见图3。声系统中的,因此,回热器外柱面定义为受约束面,图2所示为其中一个模型的荷载分布。板叠的材料为锻造不锈钢,弹性模量E=200GNm2,密度p=7800kgm3,泊松比=0.28。该模型基于以下几种假设:()板叠处于气体介质中,不考虑周围流体介质的黏性,较之在实际流体中板叠的振动幅度衰减较慢;(2)板叠材料的物性参数如弹性模量、密度等不随外界因素的变化而变化;(3)设板叠处于恒压环境中。图3 ANSYS网格划分图Scheme of ANsYS mesh2数值模拟21静力条件下的模拟结果静力条件下的状态相当于热声热机工作前的充气状态,研究该条件下的回热器特性有助于更进一步研图1三维板叠空间模型究充气压力对热声中国煤化工Fig1 Three-dimensional model of regenerator图4所示是用asHCNMHGEXPress第11期益才,等:热声板叠式回热器结构动力学分析3553分析向导分析模拟的一组板厚度和板间距分别为08从图4可以看出:板叠的应力和形变分布趋势基和1mm的板叠式回热器的应力和形变分布,在充气本上是对应的,板叠的套筒外表面受到一定程度的微压力分别为05,06和07MPa下的回热器内应力最弱应力,应力和形变主要分布在套筒内表面和板上大点的比较如图5所示。也即表明板叠结构声激励源主要是板和套筒内表面从结构声辐射理论来分析,这种应力和形变最终影响应力(kNm5999×10回热器结构中的声学特性,导致结构声的产生,进步影响回热器中气体微团的运动。整个板叠尤其是中5.179X104769×102间板的振动模态由原来的1阶振动模态逐渐变为2阶,4359×102甚至3阶振动模态。另外从上述模拟结果可以看出:3948×1023.538×10F2板的最大形变和应力分部都在板的中部位置但对于整3.128×102个回热器来说最大形变和应力并不是回热器正中间的2.718×1022.307×102板上,这是由于中间板的上下面受力基本趋于平衡,1897×102而与正中对称的两边估计是力和本身长度综合作用的1487×10结果。屈服力:2068×10°从图5可以看出:随着充气压力的提高,应力最形变/n994×105大值逐渐增大,但其趋势却趋于平缓,图中的点为计1.828×10算点,曲线不代表实际应力的变化趋势1.662×1022 ANSYS的谐振动分析329×10进一步分析回热器在热声起振后即谐振动作用下1163×10的各种响应。谐响应分析是用于确定线性结构在承受9971×10°8.309×10°随时间按正弦(简谐)规律变化的载荷时稳态响应的6.647X10种算法。利用 ANSYS软件的谐响应分析功能,来计4.985×10算一定材料和确定结构在受一定频率范围内周期性载324×101.162×10荷作用下的响应情况,以定量分析结构在持续的周期000×10载荷作用下的变化规律。分析的目的是计算结构在几(a)应力分布:(b)形变分布种频率下的响应并得到一些响应值对频率的曲线。该图40.8mm板厚回热器的应力和形变分布技术计算结构的稳态受迫振动,不考虑结构发在激励Fig 4 Stress and strain distribution in 0. 8 mm thickness开始时的瞬态振动。谐响应分析是一种线性分析,非regenerator线性特性被忽略。先对模型进行了模态分析,得到了各阶对应的固有频率。定义回热器在谐振管内不受约束,谐振动分析中初始条件的选取有3个:幅值、相位角和强制频率的范围,根据热声热机系统的运行条件,选取幅值为05MPa,即初始充气压力,相位角为0,频率范围根据前面的模态分析结果选为30003500Hz。分别得出了回热器谐振动下的应力响应云图和应变响应云图如图6和7所示。从图6和7可知:应力和应变相对应;对比图60.550.600.70和4可以得出:静力下热声回热器的应变起主要作用充气压力Pa图53组不同压力下回热器内应力最大点的比较动力下回热器的应变是静力和波动两者的叠加,说明g5 Comparison of maximum stress point in regenerate了热声谐振时波司中国煤化工于充气压under three different pressures力对其的作用力HCNMHG中南大学学报(自然科学版第42卷2251750.75应变90011000224×1010452×10-10.904×10-10.136×1010.81×10-10频耳率/Hz图6回热器谐响应应变云图图8低频段板上各点随频率的位移变化Fig 6 Cloud picture of harmonic strain response inFig8 Variation of displacements for points with1.6应力(Nm2)0.360.370.731.091.461.822.192.552.9232800031003200330034003500频率/Hz图7回热器谐响应应力云图图9固有频率段A点随频率的位移变化Fig7 Cloud picture of harmonic stress response inFig9 Variation of displacements for point A atregeneratornatural frequency进一步研究了板叠回热器板上一些特殊点的振动波产生的一个重要原因。响应情况。以点0,0,0.02)为中心建立三维坐标系选取从图9可以看出:该回热器的1阶固有频率为的4个点的坐标分别为点A(0,0,0.02),B(0,0,0),C(0,3380H,这与模态分析的结果相对应,故在这个频0,0.04)和D(O,0.019918,0.02)。得到4个点关于频率率下回热器节点的应力和应变最大,回热器达到共振。的y方向位移变化,结果如图8所示。分析了A点即但就一般热声系统而言,系统工作时的谐振频率并没中间板的中心点在一阶固有频率附件的位移随频率的有这么高,究其原因可能和谐分析本身是对于线性结变化,结果如图9所示。构,忽略了系统非线性以及计算过程中受到计算机精从图8可以看出:不同频率作用下,回热器板上度等原因造成的各个点的位移变化相差不大,并且随着频率提高,位移变化越来越小。随着频率的进一步提高,板上不同点的位移变化相差越来越大,说明在高频段回热器各3结论个点受到振动的影响各异,因此,反过来在高频热声热机工作状况下板对振动的影响也会出现较大差异(1)对热声系化,这可能是高频热声热机工作下不稳定性和多次谐谐相应等一系列HH中国煤化工了静力和CNMHG度去探讨第11期刘益才,等:热声板叠式回热器结构动力学分析3555热声系统中回热器调相的机理。以板叠回热器为例,[刘益才,张明研,黄谦,等.热声热机板叠式回热器结构数值建立了其静力和简谐力作用下的物理模型,得出回热计算门中南大学学报:自然科学版,2010,41(3):116-1189器的应力应变及其在回热器结构内的分布。LIU Yi-cai, ZHANG Ming-yan, HUANG Qian, et al. Numerical2)从应力一应变云图可以看出:回热器在热声系统的振动存在多种模态,模态的存在是产生热声谐波的一个根本原因,这取决于回热器本身的声结构特性。Science and Technology, 2010, 41(3): 1186-1189[8]刘益才杨智辉,刘振利,等.热声热机谐振管截止频率选择(3)回热器在简谐力响应下,其板上各点在低频机理门]中南大学学报:自然科学版,2006,37(4):759762段应力一应变基本吻合,高颊段差异逐渐增大,在固LIU Yi-cai, YANG Zhi-hui, LiU Zhen-li, et al. Mechanism of有频率附近位移出现明显峰值。cutoff frequency of resonator tube in thermoacoustic engine](4)低频段回热器内各点的动力响应基本Journal of Central South University: Science and Technology,致,在此工况下热声系统内振动易达成一致,不会产2006,37(4):759762生较多杂波,随着频率的提高,各点对振动的差异逐⑨] Cheng b,JT. Experimental investigation on the onset and渐增大,这将导致热声的不稳定性和杂波等对输出功的影响。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参考文献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]杜功焕,朱哲民,龚秀芬,声学基础M.2版.南京:南京大thermoacoustic engine[]. Cryogenics, 2006, 46(11): 771-777学出版社,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]张晓青,郭方中热声热机中回热器的数值计算与分析[[13]马大献,沈豪.声学手册[M北京:科学出版社,2006华中科技大学学报:自然科学版,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]何祚镛.结构振动与声辐射[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出Science and Technology, 2001, 29(3): 87-89.版社,2001:67-98[5]陈熙,李青,李正宇,热声热机网络模型演化与机理初探HE Zuo-yong. Structure vibration and radiation IM. Harbin[门低温工程,2004(1)27-31Harbin Engineering University Press, 2001: 67-98CHEN Xi,, LI Qing, LI Zheng-yu,tl. Network model of[15]黄谦,刘益才,张明研,等.热声回热器结构频率的数值研究thermoacoustic engine and study on the mechanism)[低温与超导,2008,36(11)16.Cryogenics, 2004(1 ) 27-3HUANG Qian, LIU Yi-cai, ZHANG Ming-yan, et al. Numerical[6]罗二仓,戴巍,RayR.交变流动回热器的热声功能和回热功e frequency能[工程热物理学报,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(编辑陈爱华)中国煤化工CNMHG