基于分子动力学的板叠间传热传质微观机理的研究

本文采用分子动力学计算方法从微观上对热声发动机板叠间的传热传质机理及其起振频率进行了模拟研究。在往复振荡过程中，由于温度梯度的存在，使得能量面发生了迁移，最终在冷热气体间产生密度梯度，直至密度梯度为零时完成一个周期。自激振荡伴随有能量耗散，故而温度波峰与波谷随着周期数的增加逐渐减小。随着温度比的升高，起振频率逐渐降低，这将有利于微通道板叠结构缩短谐振管的长度，实现结构的微型化。

近年来，由于长期使用氟利昂带来的环境问题受到了越来越多的关注，加之传统的机械制冷装置因为震动，密封要求高等对制冷机的长期稳定运行有一定的影响，制冷装置的发展遇到了瓶颈。为此，人们开始寻找新的制冷装置，以期改变这种局面。1988 年Swift 最早对热声制冷机进行了报道，自此，热声制冷技术引起了人们的广泛关注。B. Yu 等人[1]测试了由行波热声发动机驱动的热声制冷机，对不同直径惯性管的制冷机进行了研究。实验发现此方法可以提高了制冷机的COP 和发动机的输出效率。杨卓等人[2]设计了一台气液双作用行波热声发动机上使用的行波制冷机，在300 K 的环境温度，250 K 的制冷温度下进行理论研究，COP 达到了2.74，相对卡诺效率接近60%，效率高。汪建新与张彤[3]设计了一种高效热声制冷机谐振管，采用Fluent 软件进行模拟，发现纵向谐振频率与声源驱动器频率相近，振动增强，热声制冷机制冷效率提高。何秋石等人[4]建立了热声制冷微循环模型，算例模拟结果表明，在热声制冷微循环中，制冷量、制冷率以及制冷机性能系数都得到了优化解，对热声制冷机的改进及优化起到了一定的理论指导作用。汪建新等人[5]发现谐振管截面的几何尺寸是热声制冷机比较重要的参数，他们通过模拟得出相同激励条件下，采用圆锥形谐振管活塞震动幅值最大，声强较高。李德玉等人[6]通过研究发现，板叠长度和中心位置对热声转换效率影响比较大，并以空气为工质，在常温常压环境下获得了冷热端37℃的温差。蒋智杰等人[7]根据热声制冷机参数振荡特点，建立了不可逆热声制冷循环模型， 提出了目标函数，并在目标函数取最大值时，使设备达到了最优的效果。A. C. Alock 等人[8]通过研究发现，通过调节装置的几何形状可以改变其性能，并且在需要较少的输出量时，与传统蒸汽压缩式制冷机相比，热声制冷机效率更高。汪建新等人[9]基于热声效应理论和有限元法对热声制冷装置谐振腔内声压幅值和气柱活塞的振动特性进行了分析，得到了谐振腔内声强越高，热声制冷机效果越好的结论。基于以上研究，本文分别建立了室温与低温、高温与室温的微通道板叠热声转化模型，为使热声结构进一步微型化、高效化提供理论依据。

2. 热声转化 板叠作为热声制冷机的核心部件，由回热器两端的加热器与冷端换热器基于温度梯度，基于起振温