新型热波激励装置的实验与数值模拟研究

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热波现象的实质是热量以波的形式,以有限波速在介质中传递。本文以设计热波激励装置为出发点,借助于已经发展成熟的光学激光器技术、取得显著进展的热声激光器以及成功研制的反激光器等概念,着眼于研究可控、灵敏、具有强辐射力的热波,最终得到精确可控的温度场,推进热声装置的进一步优化。   基于热波传递模型与基底导热的横窄条模型,设计制作了新型的热波激励装置。装置的腔体分为圆柱形与矩形两种。将电热性好、热惯性小的电热扁丝在装置腔体内布置成不同形状,能够灵敏的输出热功率信号,激励空气介质发生能量转换与传递过程,激发一系列可控频率的热波与压力波,最终达到准平衡状态,建立相应的温度场分布。   通过实验与Fluent数值模拟研究发现,相同的热功率下,圆柱形腔体内壁面为输入热源时,其热源表面的温度远远高于下端面为热源时的温度;热源表面的温度、压力和边界热流值都存在出明显的周期分布特性。腔体内同时建立轴向温度场和径向温度场分布,轴向温度场的非线性震荡比下端面为热源时的幅度更加明显,压力幅值较大,能量传递转换过程较复杂。径向温度场呈现近似简谐周期变化,震荡趋势明显;腔体中心上热量叠加,发生了聚焦效应,出现超温现象。   矩形装置的内壁面为输入热源时,达到准平衡态所需的时间较长,腔体内同时建立纵向和横向两个方向的温度场分布。在交流热功率激励下,温度随时间的周期震荡特性明显,纵向温度场呈现非线性分布特性;横向的温度场没有发生能量叠加和聚焦效应,但仍然存在明显的非线性特征;腔体横截面内的等温线为平行矩形分布,等压线为同心圆分布。
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