高频微型热声制冷机板叠制冷特性模拟仿真研究*

2015-11-23汪建新

机械研究与应用 2015年2期

汪建新，郭峰

(内蒙古科技大学，内蒙古包头 014010)

0 引言

利用热声效应原理设计的热声制冷机具有结构简单、振动噪声小、寿命时间长、运行可靠的特点，关键是可以采用空气或者惰性气体作为介质，避免采用氟利昂造成的污染。而高频微型热声制冷机在解决微电子系统散热问题上具有极大的优点［1］，并且便于一体化安装。

1 高频微型热声制冷机结构及其参数

设计的微型制冷机采用理想空气作为工作介质。为达到微型化的的目的，拟定声源工作频率5 000 Hz，考虑到整机尺寸，为尽量减小谐振管尺寸，拟定采取1/4波长结构。L=c/4f，式中:L为谐振管长度，c为工作环境下的声速，f为谐振频率。调整微型热声制冷机尾腔尺寸使其达到与声源振动频率相近的纵向谐振频率，避免了谐振腔的设计，减小了体积，有利于微型化。入口直径28 mm，中间直管段的直径12 mm，长度17 mm，后腔直径32 mm，长度12 mm，壁厚为1 mm，图2给出刨面试图。谐振管材料不锈钢，不锈钢的材料具体参数为:弹性模量 E=2．06×1011Pa，泊松比 u=0．30，厚度为 1 mm。材料密度Density=7 850 kg/m3。板叠长5 mm，宽0．08 mm，板叠材料为铜。

模型的采用Solidworks 2012建模软件建立实体模型，模态分析采用Ansys Workbench12平台，约束条件为限制谐振管左端全向自由度。模态分析的结果如图1所示，由图1模态分析可知谐振管第三阶谐振频率4 810 Hz接近5 000 Hz。设计的谐振管具体尺寸如图1所示。

图1 第三阶固有振型

图2 谐振管刨面图/mm

2 模型选择以及边界条件设置

根据上式雷诺数可得，取u取1．822×10-5Pa·s，ρ=1．21×103kg/m3，v取 347 m/s ，l取制冷机入口直径28 mm，得到雷诺数R e值远远超过2000，因此本次数值仿真模拟采用标准湍流k-ε模型。使用中等湍流密度，这种设定适合绝大多数模拟［2］。其中湍流强度(Turbulent intensity=5%)。选择压力入口边界条件，压力选择余弦压力波动形式［3］，其形式如下:P=101325×0．02×cos(2×3．14×5000×t)，压比为0．02。作为对比的板叠温度曲线压比采用0．01。流体采用理想气体空气，其主要参数有热导率、运动粘性系数、密度和单位质量的比热。初始温度设置为300 K，操作环境压力选为101 325 Pa。忽略重力因数的影响，采用边界压力入口作为初始化的条件。

流体与固体的交界面用热边界条件中的流固自动耦合条件。壁面条件采用绝热无滑移模型。选用分离隐式、非稳态的求解器，压力修正为Simplc算法，压力采用二阶离散格式，动量方程、能量方程和密度方程均离散采用三阶MUSCL格式。

时间步长选择波动周期的1/10，为0．00002 s，用Fluent UDF编写波动压力入口条件程序［4］。

UDF压力入口程序:

#include"udf．h"

DEFINE_PROFILE(unsteady_pressure，thread，position)

{

face_t f;

begin_f_loop(f，thread){

real t=RP_Get_Real("flow-time");F_PROFILE(f，thread，position)=101325*0．02*cos(2*3．14*5000*t);

}

end_f_loop(f，thread)}

2．1 板叠的温度分布

实验模拟的驻波热声制冷机，板叠在直谐振管中，具有相同的入口压力条件，因此本次模拟放入了一块板叠，具有简化意义，如图2所示。板叠距离左端入口为5 mm。选两个监测点，分别为距离板叠左右两端点0．1 mm，坐标为点 A(5．1 mm，0)，点 B 点(9．9 mm，0)，迭代进行了 5 600步，时间步长数为400步，可见冷端热端温度都已经稳定了。其中温度单位为K，板叠温度的变化如图3所示。

图3 整个管内温度云图

由图3能够清楚地观察出热声制冷效应，热端冷端有清楚的温度差。热点A温度约上升了0．0022 K，冷点B温度约下降了0．001 K，板叠左右两端温差大约0．003 K，而压比为0．01(相同条件下)的板叠左右两端温差大约为0．0013 K。证明提高压比能够提高热声效率。

从单个板叠来看温差很微小，但是从总体来看，整个模型有了2 K的变化，那么当加上很多等距的板叠时，温差会有显著的变化，可以实现制冷。此处模拟将理想空气看作换热器，仅仅起到了一个热容的作用，所以没有外部负载的输入。这样冷端换热器右端管内的空气就成了负载，在热声效应作用下，就会源源不断的从右端吸收热量，板叠源源不断地把热量和冷量积累到左右两段的空气中，随着时间的推移，右端温度会不断降低，因此产生的温差远远大于板叠纵向本身的温差［5］。