热声发动机特性的多速格子气模拟

摘要

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。