非线性热声对流换热机理研究

大振幅热声波的对流换热是传热学领域尚未充分研究的问题。本项目将建立基于大功率脉冲加热技术的热声对流换热实验台，精确测量大振幅热声过程压力、速度及温度等参数和声音信号的变化规律以及热声波的传热效应；开发适用于大振幅热声波流动及传热数值模拟的高阶稳定离散格式和高效算法，对热声波的流动及传热过程进行数值模拟；在实验研究和数值模拟的基础上进行理论分析，建立大振幅热声波对流换热的简化数学模型，查清非线性效应对其流动和传热的影响。本项目的研究将拓展热声对流换热这一新的传热学研究方向，为热声技术的应用奠定理论基础。 2100433B

通常对流换热的研究方法分以下四种：

分析法。在相应描述边界条件和一类对流换热的数学问题求解偏微分方程取得解析速度场和温度场。由于数学计算条件的限制，目前对于个别简单的求解问题可以分析对流换热系数，如二维边界层的层流流动。当然，分析法的最大优点是能深刻揭示物理量之间的依变关系，也是其他评价方法的基础理论依据。

实验法。实验法依然是求解对流换热问题的重要的方法，由于对流换热问题是个复杂动态的过程，尤其是对于在真实环境下建筑外围护结构的复杂换热情况，进行一个准确的实验方案是解决这类复杂问题的唯一途径。

比拟法。以能量守恒和动量守恒定律为基础，建立换热系数与阻力系数之间的关系式，再利用测定的阻力系数计算出表面传热系数。在传热学早期发展中，这一方法曾是计算湍流换热等问题的求解方法。随着实验设备的完善、测试技术的迅速发展以及计算机对于流体的分析日益强大，近年来这一方法也使用较少。

数值法。随着计算机应用数值计算的普及和发展，对流换热过程的数值分析逐渐成为一种主要的求解方法，其结果可信性也逐步提高。数值模拟方法类似于用计算机来做有针对性的实验，可以形象再现流体在大环境下的运动情况，能更加有效地解决实验不能解决的问题，对于分析问题有很大帮助。

时均流诱导热声振荡是一种新型的能量转换方法，基于其原理可建成完全没有运动部件的、以风能驱动的热声制冷机。本项目拟从理论、数值计算和实验三方面对其机理进行研究：建立时均流剪切边界层非稳定性问题的多维度、可压缩流、非稳态物理模型，确定声场工作频率和强度与漩涡形成周期、数量和运动速度的定量关系。在此基础上引入非线性热声学理论，首次建立时均流诱导热声振荡的完整物理模型。基于DES算法，利用CFD方法对物理模型数值求解，获得压力场、速度场、温度场和密度场的数值解，实现完整物理场分析；研制一台时均流驱动的高效热声制冷机，在热声板叠上产生不小于150K的可用温差，对时均、交变流场中的压力（波动）、速度（波动）、温度（分布）进行精确测量，通过综合分析发现其中蕴含的规律。最后，通过理论和实验相结合，探明时均流、诱导声场、热声效应之间的耦合作用机理，为实现以自然风等时均流驱动的热声制冷机奠定理论基础。

在自然界、人类生活和生产活动中存在大量的对流换热现象。研究对流换热系数，我们先要理解对流换热的定义。对流换热是指固体壁面与环境流体直接接触时所发生的热量传递过程，它发生在紧靠固体表面的边界层中。如果流体的流动是外力推动而形成的，则由此引起的对流换热为强迫对流；如果流体的流动是有紧靠热表面的受热流体的浮力运动而引起，则这种对流换热称为自然对流。为了便于分析研究，通常总把传热现象看作是热传导、热对流和热辐射三种最基本形式在其体场合下的不同组合。热传导，是指物体各部分之间没有相对位移或者不同物体直接接触时依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。由于直接接触而发生能量传递的现象。