基于弱非线性理论的热声制冷机建模与优化设计研究

摘要

热声制冷机是一类具有广泛应用前景的新型制冷机，具有可靠性高、对空气无污染、使用寿命长等优点，并且可使用低品位的能源驱动。板叠是热声制冷机的核心零部件，板叠参数直接影响整个热声制冷机效率。 本文提出了驻波热声制冷机板叠性能指标数值计算及其优化设计方法。首先，分析了基于短板叠近似理论的计算方法的局限，构造同时迭代求解制冷量、压力、体积流率、平均温度以及温度梯度等参数，从而计算出板叠性能指标的数值计算方法；然后，基于该迭代方法探讨了热声板叠长度、宽度、位置、阻塞率以及温差等与板叠性能指标之间的关系；最后，以板叠长度、宽度、位置、阻塞率为优化设计变量，板叠性能指标为优化目标，利用遗传算法，对驻波热声制冷机板叠进行了优化设计。与基于短板叠近似理论的方法相比，本文方法数值计算结果更为准确，优化设计结果更容易被接受。因此，本文主要研究工作如下： (1)提出热声弱非线性理论的计算方法，构造迭代法同时求解制冷量、压力、体积流率、平均温度以及温度梯度，每一次迭代都解一个常微分方程组，从而计算出板叠的性能指标COPs。 (2)本文方法由于考虑了更贴近实际的粘性、压降、温度以及温度梯度、压力、体积流率等声变量关于位置的变化，相比于短板叠近似方法，能更准确的预测板叠性能指标、制冷量、声功消耗。同时通过与DeltaEC软件计算结果相比较，说明了该方法的准确性和可靠性。 (3)本文利用遗传算法，实现了对驻波热声制冷机板叠的长度、位置、宽度、阻塞率等四个参数的优化设计，得到了 xcn=0.0532 ， lsn=0.0106 ，?kn=0.587 ， Br=0.9442，最优设计方案，这符合有关文献的研究结果的预期。 (4)本文主要讨论了驻波热声制冷机板叠性能指标的计算和优化问题。虽然本文只是对板叠参数进行了分析与优化工作，而所提出的方法可以应用于整个驻波热声制冷机的计算分析和优化设计。

目录

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第一章 绪 论

1.1课题来源与研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要的研究内容

第二章 热声制冷线性理论基础

2.1 引言

2.2线性热声理论

2.3 热声系统中的能量

2.4 本章小结

第三章 基于线性理论的热声制冷机数值模拟

3.1 引言

3.2 热声指制冷量与声功消耗

3.3 热声制冷机的性能系数

3.4 无量纲化

3.5 短板叠理论计算方法

3.6 基于短板叠理论的参数关系分析

3.7 指定功率的制冷机设计

3.8 本章小结

第四章 基于弱非线性数值解的热声制冷机板叠性能指标COPs计算与分析

4.1 引言

4.2基分方程数值解的迭代算法

4.3 计算模型验证

4.4操作参数

4.5 板叠长度的影响

4.6 板叠位置的影响

4.7 温差的影响

4.8阻塞率的影响

4.9热渗透率的影响

4.10 本章小结

第五章 热声制冷机板叠优化设计

5.1 引言

5.2 板叠优化设计建模

5.3 板叠遗传算法优化

5.4 板叠优化结果与讨论

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 工作展望

参考文献

附录A 攻读学位期间发表论文与科研成果清单

致谢