開題報告是指開題者對科研課題的一種文字說明材料，下面是小編蒐集整理的動力工程碩士畢業論文開題報告，供大家閱讀參考。
題目名稱： 室外熱環境模擬與影響因素分析
一、課題來源、國內外研究現狀與水平及研究意義、目的。(附主要參考文獻)
(1)課題來源
本課題來源於導師課題研究方向。
(2)國內外研究現狀與水平
熱聲熱機是一種通過熱聲效應實現熱能與聲能轉化的裝置。從熱聲熱機能量轉化的方向來說熱聲熱機可分為兩種基本型別：熱聲發動機和熱聲製冷機。熱聲發動機是將熱能轉化為聲能並儲存於聲場中，以供負載之用;熱聲製冷機利用聲能泵熱實現製冷，它是以消耗外界提供的聲能為代價的。對於複雜的熱聲系統來說，有時兩者同時存在，如熱驅動的熱聲製冷機。
經過多年的探索研究，國內外學者在熱聲熱機理論研究和試驗研究方面均取得了豐碩的成果。
2.1 國外研究現狀與水平
理論研究方面，熱聲熱機已經成為一個獨立的學科迅速發展，從1777年Byron Higgins在實驗中揭示了熱聲效應和1979年美國George Mason大學的Ceperley提出並實驗證明了回熱器的熱聲轉換作用，到上世紀80年代以後，熱聲理論和熱聲熱機的研究發展迅速。
1969年～1980年間，瑞士蘇黎世聯邦技術研究所的[1]首次提出了熱聲振盪的定量理論。他建立了理想氣體的駐波聲場，在理論上闡明並描述了熱聲效應中存在著熱和功的相互轉換，他匯出的理論框架是分析熱聲熱機的理論基礎，是目前熱聲熱機研究中公認最有效，也是應用最廣泛的理論。
1988年，美國Los Alamos實驗的Swift教授發表了“Thermoacoustic engine”一文，提出了回熱器熱致聲和聲製冷效應的零界溫度梯度，標誌著Rott以後現代熱聲熱機研究進入了一個新的階段[2]。
1999年haus和Swift教授發表了“Thermoacoustic-Stiring heat engine”一文，標誌著熱聲熱機開始進入了應用研究階段[2]。
2009年，L.S kerget和ik利用完整的Navier-Stokes方程並通過數值邊界積分方程求解方法域或小波域分解和耦合，進行熱聲內的流場和溫度場的數值計算，並對經典傅立葉熱通量模型和波熱傳熱模型進行了研究對比[3,4]。
實驗研究方面，1992年，Swift[5]等成功研製出第一臺駐波型熱聲發動機。該發動機直徑128mm，總長4230mm，採用He為工質，工作壓力1.38MPa，獲得了630W的聲功，熱效率為9%，最大聲壓幅值可達到平均壓力的16%。在實驗中他們對加熱功率，板疊熱端和冷端溫度以及系統中所產生的壓力波進行了測量與分析，驗證了線性熱聲理論對熱聲發動機小振幅工況的良好適用性。
1998年，美國Pennsylvania州立大學的Chen[6]等研製了世界上第一臺太陽能驅動的駐波型熱聲發動機，他們以一根40cm長的一端開口的管作為諧振管，用一個大的凹面鏡將陽光聚焦到陶瓷熱聲板疊的一端進行加熱，最終得到420Hz，120dB的聲波。該實驗裝置的研製成功為太陽能利用提供了一個新的方向。
日本學者Tijani等[7]在2008年設計製作了一臺熱聲斯特林發動機，他們把熱端換熱器放在環形管的上部，以便對熱端換熱器形狀和大小進行獨立的設計與選擇而不受回熱器尺寸的影響。他們在對該發動機的實驗研究過程中通過對2個不同的1/4波長諧振管進行了測試，第一個由於聲波在諧振管中損耗過大而不能驅動RC聲負載，為了避免這樣的問題他們設計了第二個諧振管，以減少其中能量損耗為目的對其進行了優化設計，最終在150Hz的頻率下，產生了190W的聲功，效率達到22.5%，相對卡諾效率36%。
2.2 國內研究現狀與水平
國內很多學者針對熱聲熱機做了深入的研究，具有代表性的'是中國科學院理化技術研究所的羅二倉、李青等學者和郭方中老師帶領的華中科技大學制冷與低溫實驗室研究團隊以及浙江大學制冷與低溫研究所陳國邦、邱利民等學者，此外上海交通大學、西安交通大學和天津大學在熱聲這一領域也做出了傑出的貢獻，在此不再累述。
陳國邦[8]等在1996年研製出國內首臺半波長駐波型熱聲壓縮機，系統以氮氣為工質時可得到最大壓比1.12，氦氣為工質時最大壓比為1.06，為對稱雙邊型熱聲驅動器，單邊最大加熱功率為1100W，諧振管長度4m。他們利用該實驗裝置實驗研究了加熱溫度、平均充氣壓力、諧振管長度和工質種類對熱聲壓縮機效能的影響。
何雅玲[9]等在非穩態的交變流動與換熱情況下，研究了平行通道內瞬時換熱量、速度向量與溫度梯度的點積在整場上的積分值、速度向量與溫度梯度的夾角等在一週期內隨時間的變化情況，從數值模擬的角度證明了場協同原理在交變流動中仍然適用。
羅二倉[10]等從拉格朗日的觀點分析了交變流動製冷機回熱器中微團的熱力工程和熱力迴圈，指出交變流動回熱器中的氣體微團不僅具有傳統熱力學觀點的回熱過程(逆流回熱過程)，同時還具有進行熱生轉換的壓縮、放熱、膨脹以及吸熱等完整的熱力過程。
湯珂[11]等根據回熱器交變流動流道中心速度為零相位下的速度分佈曲線的斜率情況，提出定量評價指標速度環狀效應係數，並利用數值模擬軟體，針對平行平板流道內層流交變流動，利用該評價指標定量分析了無量綱引數(包括瓦倫西數Va和最大雷諾數Remax)對速度環狀效應的影響。
近10多年，國內外學者致力於熱聲製冷機及熱驅動熱聲製冷機的實驗研究，其目的是提高熱聲轉換的效率，實現熱聲系統的匹配。
(3)研究意義及目的
熱驅動熱聲熱機具有如下幾個突出的優點：其一是完全沒有運動部件，結構非常簡單，從根本上消除了常規熱機存在的磨損與振動，因此具有可靠性高、結構簡單等優點，將熱聲發動機與熱聲致冷機組合可製成熱驅動的製冷機。它完全沒有可動部件，具有高度的可靠性，特別適合於空間用低溫電子學器件冷卻的長壽命製冷器;第二是採用熱能驅動，可利用低品位熱能、餘熱、太陽能、天然氣等作為熱源，具有很大的靈活性和發展潛力。採用低品位的熱能和餘熱不僅有利於提高系統的熱力學效率，而且對那些缺乏電能的場合則更具有實際意義。同時，利用餘熱的熱驅動熱聲熱機使用惰性氣體工質作為工作介質，具有良好的環保性。熱聲製冷機的諸多優點使其在空間技術、天然氣液化工業及環保和製冷業等多方面具有重要的應用前景;第三是熱聲熱機以惰性氣體作為工質，在環保性上優於傳統制冷機所採用的以氟里昂為代表的工質氣體。故熱聲熱機是一種新的、無汙染低噪聲的製冷技術。
目前廣泛研究的熱聲熱機一般由回熱器、熱端換熱器、冷端換熱器、氣庫和連線管道組成。回熱器被置於熱段換熱器與冷段換熱器之間，通過兩端的溫差在回熱器內部形成溫度梯度。氣體工質在回熱器內與填充材料進行換熱，由於縱向導熱與橫向導熱的不平衡以及氣體本身的粘滯效應等一些列因素實現熱能與聲能之間的轉換。可以說回熱器是熱聲發動機的核心部件，其內部的阻力與換熱特性直接影響整個熱機系統的效率和效能。
本課題旨在從多場協同的角度分析熱聲效應以及熱聲熱機工作原理，探討不同材料和結構回熱器對熱聲轉換效能的影響，以及對回熱器與整個熱聲熱機系統匹配程度影響，研究回熱器表面形狀與結構對回熱器內交變流動的流場及熱場的擾動作用，提高熱聲轉換效率，從而提出能夠指導熱聲熱機回熱器優化設計的合理建議。
參考文獻
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注：本報告一式兩份。第三學期末，交研究生助理.(院、系、所)管理存檔。
二、研究內容，擬採取的研究方法、實驗過程、預期成果。
(1)研究內容
本課題旨在通過研究回熱器內部流動情況、內部結構對聲場形成的影響作用以及填充材料的種類和結構對熱聲熱機效能的影響，探討回熱器的傳熱特性。通過研究傳熱特性可以找到影響回熱器與整個熱聲熱機系統匹配程度的因素，以達到提高熱聲熱機效率的目的。並且通過本課題的研究可以對熱聲熱機的設計及效能優化提供指導性的作用。
主要內容如下：
1)根據傳熱優化的場協同理論，求解平行板疊回熱器內交變流動的流場分佈與熱場分佈，在合理的假設條件下給出流道中速度與分度分佈的理論解，驗證場協同理論在交變流動回熱器內的正確性;
2)根據傳熱優化的場協同理論，利用數值模擬軟體，模擬帶有不同形狀微肋的回熱器在正常工作時內部的流場分佈與熱場分佈;
3)通過實驗獲取不同結構以及材料回熱器的傳熱特性，對模擬模擬的結果進行驗證，並對其與熱聲熱機系統頻率匹配關係特點進行定性的驗證;
3)結合理論研究與實驗資料尋找影響回熱器內部聲場的主要因素，提出能夠指導熱聲熱機回熱器設計的合理建議;
(2)擬採取的研究方法
本課題基於回熱器熱聲轉換機理，採用理論分析、數值模擬、實驗研究相結合的方法來進行研究。
其一、理論研究：
參照線性熱聲理論、回熱器中交變流動理論及相關文獻中的設計公式對回熱器結構、材料屬性及回熱器佈置位置進行合理的變動，給出在合理假設條件下回熱器內流場分佈與熱場分佈的理論解，驗證傳熱優化的場協同理論在交變流動中的正確性;
其二、數值模擬研究：
根據上述理論分析得出的資料，進行模擬模型建立，並利用ANSYS軟體對各個模型進行結構動力學研究及諧響應研究，再利用Fluent軟體對各個模型的傳熱效果進行數值研究，把模擬結果對比分析找出最優的模型。
其三、實驗及資料採集：
實驗內容主要是基於上述模擬結果取其中比較有代表性的結果所對應的模型對現有實驗臺進行改造，然後進行實驗研究，所測試的引數為聲壓和溫度。傳熱效果的主要參考引數是冷熱端換熱器的溫度差與聲壓幅值。聲壓通過在實驗臺上佈置的壓電感測器測量，測量訊號經專用軟體轉化為壓力值。溫度值採用熱電偶測量，測量點主要分佈於熱端換熱器、冷端換熱器及回熱器內部以及餘熱利用換熱器的兩端和內部。其他引數值由測量得到的溫度值及壓力值換算。
(3)實驗過程
本研究主要以實驗和理論相結合的研究為基礎，結合數值結果進行方案的優選。具體的研究方案可以分為以下四個階段：
第一階段：根據理論計算確定回熱器的結構引數及在諧振管中的佈置位置。
第二階段：對不同材料、微肋的回熱器及相應的聲驅動熱聲製冷系統進行數值模型建立並利用ANSYS進行動力學響應分析，再用Fluent對個熱聲系統進行換熱效果模擬研究。
第三階段：取其中比較有代表性的熱聲回熱器結構對現有熱聲熱機試驗檯進行改造。
第四階段：進行試驗研究並把試驗結果與數值模擬結果進行對比驗證數值模擬結果的正確性;
以上實驗方案中所使用的原材料均符合經濟實用的基本原則，只要研究方法得當，是完全可行的，在本專案中所涉及到的研究方法在本課題組中均具有良好的研究基礎，所以該研究方案是完全可行的。
(4)預期成果
通過本課題的實施，可以實現以下幾方面的效果：
1.提出一種高效能的熱聲熱機回熱器;
2.初步探索聲源頻率與熱聲熱機系統的匹配關係;
3.搭建一臺效能較優的熱聲熱機實驗臺;
4.至少發表1篇SCI檢索期刊論文;至少發表1-2篇核心期刊論文。
三、已進行的科研工作基礎和已具備的科學研究條件(包括在哪個實驗室進行試驗，主要的儀器裝置等)，對其他單位的協作要求。
(1)已進行的科研工作基礎
本研究課題相關理論工作部分已經完成，包括板疊及異型板疊回熱器的靜力學和動力學模擬，聲驅動熱聲熱機實驗臺的搭建，求解平行板疊回熱器理論解，驗證場協同理論在可壓縮交變流動中的正確性，平行板疊回熱器內部的速度環狀效應係數研究等。
(2)以具備的科學研究條件
本研究課題相關實驗均在自有實驗室進行，從20xx年12月~20xx年9月完成相關實驗。目前已經建造完成聲驅動熱聲製冷實驗臺。經實驗證明，我們所搭建的聲驅動熱聲製冷實驗系統能夠實現冷端溫度降低的效果，但還需進一步優化改進。在現有實驗臺上可以完成第一階段實驗。現有主要儀器包括：溫度感測器、(壓電式/壓阻式)壓力感測器、訊號採集系統、溫度顯示儀表、真空泵。實驗經費由2012年國家自然科學基金“基於多場協同機理的熱聲回熱器效能表徵與優化研究(51276017)”和2012年湖南省研究生創新基金專案支援。
指導教師及課題組在熱聲熱機方面有多年的研究經驗，積累了紮實的實驗經驗和理論研究經驗，為該課題的研究提供堅實的保障。另外課題組成員各盡所長，團結一致為課題的研究提供源源不斷的動力。
四、科研論文工作的總工作量(估計)、分研究階段的進度(起迄日期)和要求。
科研論文工作的總工作量(估計)：
研究進度和要求：
一、實驗研究階段：
1. 制訂熱聲熱機實驗臺改造方案;
2. 購買相關的實驗輔助裝置，即感測器、訊號發生器、功率放大器、資料採集裝置等;
3. 針對實際情況，提出初步的實驗研究方案;
4. 對實驗方案進行詳細的分析，制訂出第一步的具體實驗實施方案;
5. 進行第一步的實驗研究，採集實驗資料(包括溫度、聲壓等訊號資料);
6. 通過不同的實驗方案，初步得到回熱器頻率特性實驗資料和餘熱換熱器效能引數;
7. 完成第一階段的實驗研究。
(完成日期：～20XX年1月30日)
二、理論研究和實驗改進階段：
8. 對第一階段採集的實驗資料進行系統的分析和綜合，確定回熱器相關特性;
9. 通過理論計算對板疊式及異型板疊等不同形式的回熱器進行三維靜力學響應分析;
10. 運用ANSYS對板疊式及異型板疊式回熱器進行空間動力學模擬，求出其諧響應狀態結果;
11. 並通過Fluent對個模型進行模擬對比分析其換熱效果與回熱器的關係;
12. 根據模擬結果對實驗臺進行必要的改進;
(完成日期：～20XX年4月31日)
三、實驗驗證和數值研究相結合階段：
13. 對改進後的實驗臺進行實驗;
14. 對數值模擬研究結果以及實驗結果進行全面的資料處理和分析;
15. 初步提煉出熱聲回熱器材料以及結構選擇的指導原則;
16. 根據設計方法和設計規範的實際應用效果的評估和分析，確定回熱器內頻率特性及優化設計方法;
17. 對所有的一系列實驗結果比較分析，探討回熱器填料結構對整機效能影響情況;
18. 完成所有相關的研究報告;
(完成日期：～20XX年9月30日)
四、科研論文撰寫及畢業論文準備階段
(20XX年9月30日～20XX年12月31日)
五、所需經費預算。(大約列出材料費、化驗檢測費、加工費、差旅費等)
序號 支出科目 金額(元)
1 預算支出合計 8000
2 儀器裝置費 3000 實驗裝置與檢測儀器
3 文獻資料費 2000 研究學習與發表論文
4 調研差旅費 3000 調研與參加學術會議