بررسی تحلیلی و عددی تاثیر مواد مختلف در ساخت استک سیستم ترمواکوستیک بر اختلاف دمای بین طرفین آن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشگاه هوایی شهید ستاری،تهران، ایران

2 استادیار، دانشگاه هوایی شهید ستاری،تهران، ایران

چکیده

در این پژوهش تأثیر مواد مختلف رایج در ساخت بخش استک یک سیستم سرمایش ترمواکوستیک، بر میدان دما بین طرفین آن موردبررسی قرار می‌گیرد و اثر این مواد در انتقال حرارت روی این بخش محاسبه می‌گردد. تمرکز اصلی این پژوهش، بررسی تأثیر مواد مختلف بر میزان انحراف نتایج (اختلاف دمای طرفین استک) حاصل از روش عددی و روش تحلیلی تئوری ترمواکوستیک کلاسیک در مدل محاسباتی می‌باشد. روش عددی بکار رفته در این تحقیق یک روش عددی تفاضل محدود صریح می‌باشد که در قالب یک روش ساده ریاضی تعادل انرژی بر اساس نتایج حاصل از تئوری ترمواکوستیک کلاسیک ارائه می‌شود. شرایط مرزی و مفروضاتی نیز در جهت ساده‌تر شدن محاسبات صورت می‌گیرد. سیال کاری در این آزمایش گاز هلیوم و هندسه استک مشخص و ثابت است. شرایط عملیاتی در بازه اعداد ماخ (0.04 ≤Ma≤ 0.08 ) در نظر گرفته می‌شود. مشاهده می‌گردد در عدد ماخ 04/0، میزان انحراف بین نتایج عددی و تئوری خطی مواد میلار، پی‌وی‌سی صلب، پلی‌اتیلن و استیل ضدزنگ 304 به ترتیب 25%، 15%، 11% و 215% بوده و در عدد ماخ 08/0، میزان انحراف به ترتیب به 34%، 24%، 13% و 490% می‌رسد که این افزایش اختلاف ناشی از غیرخطی شدن نوسانات دمایی در روی استک به‌واسطه افزایش عدد ماخ است. ماده میلار در انتقال حرارت بین طرفین صفحه استک مطابق تئوری خطی، عملکرد بهتری دارد و می‌توان در عدد ماخ 6/0 به اختلاف دمای K2/7 دست‌یافت. اختلاف بین نتایج روش‌های عددی و تئوری برای استک پلی‌اتیلن با 11% و 13% در ماخ‌های مختلف همخوانی بهتری دارد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Analytical and numerical investigation of the effect of different materials in the stack construction of the thermo acoustic system on the temperature difference between its extremities

نویسندگان [English]

  • Amir Mahdavi 1
  • davood moosavian 2
1 PhD student, Shahid Sattari Aviation University, Tehran, Iran
2 Assistant professor, Shahid Sattari Aviation University, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this research, the effect of different common materials in the stack of a thermoacoustic cooling system on the temperature field between the sides of the stack is investigated and the effect of these materials on heat transfer is calculated. The main focus is to investigate the effect of different materials on the amount of deviation of the results obtained from the numerical and analytical method of the classical thermoacoustic theory in the computational model. The numerical method used in this research is an explicit finite difference numerical method, which is presented in the form of a simple mathematical method of energy balance based on the results of classical thermoacoustic theory. Boundary conditions and assumptions are also considered to simplify calculations. Operational conditions are considered in the range of Mach numbers (0.04 ≤ Ma ≤ 0.08). At Mach number 0.04, the amount of deviation between numerical results and linear theory of Mylar, rigid PVC, polyethylene and stainless steel materials was 25%, 15%, 11% and 215% respectively and at the Mach number of 0.08, the amount of deviation reaches 34%, 24%, 13% and 490%, respectively, which is due to the non-linearity of the temperature fluctuations on the stack. Mylar has a better performance in heat transfer between the sides of the stack according to the linear theory, and a temperature difference of 7.2K can be achieved at a Mach number of 0.6. The difference between the results of numerical methods and linear theory for polyethylene stack with 11% and 13%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Thermo acoustic"
  • temperature difference"
  • material"
  • . "
  • finite difference"
  • "
  • Mach number"

Smiley face

مراجع

Shabankare A.Y.T, Mirjalily S.A.A, Oloomi M.R, and Salimpour S. Experimental Study of the Pressure Drop and Condensed Heat Transfer of R-406a Refrigerant in Tubes Equipped with Extended Surface of Twisted Fins in Different Steps and Lengths. J. Aerospace Mech 2023 ; 19 (1): 93-106  (in Persian). DOI 20.1001.1.26455323.1402.19.1.7.2
[2] Zhu S, Yu G, Tang W, Hu J, and Luo E. Thermoacoustically driven liquid-metal-based triboelectric nanogenerator: a thermal power generator without solid moving parts. Appl. Phys. Lett. 2021; 118(11): 1-6. DOI 10.1063/5.0041415
[3] Swift G.W. Thermoacoustic engines. J. Acoust. Soc. American 1998; 84(2): 1145–1180.  DOI 10.1121/1.396617
[4] Alimohammadian S, Hashemabadi M, Ghasemlooy S. Investigation of Effect of Geometric Structure on Two Phase Flow Heat Transfer in Microchannels in Different Steps and Lengths. J. Fluid Mech. Aerodynamics 2023; 9(1):11-22. (in Persian).                                           DOI J20.1001.1.23223278.1401.11.2.2.6
[5] Mohammadi A, and Alavi A. Investigation of Effective Parameters on a Thermal Load in a Thermo-Acoustic Refrigerator. AUT J. Mech. Eng 2017; 1(1) : 49-54. DOI 10.22060/mej.2016.782
[6] Mozurkewich G. Time average temperature distribution in a thermoacoustic stack. J. Acoust. Soc. Amer 1998; 103(8) : 380–388.  DOI 10.1121/1.423109
[7] Tijani M, Zeegers H. Design of thermoacoustic refrigerators. Cryogenics 2002; 42: 49–57.  DOI 10.1016/S0011-2275 (01) 00179-5
[8] Shu-Han H. Evaluating the onset conditions of a thermoacoustic Stirling engine
loaded with an audio loudspeaker. Front. Therm. Eng 2023; 3(3): 52-59.  DOI 10.3389/fther.2023.1241411
[9] Namdar A, Kianifar A, Roohi E. Numerical investigation of thermoacoustic refrigerator at weak and large amplitudes considering cooling effect. Cryogenics 2015; 67(2): 36–44.  DOI 10.1016/j.cryogenics.2015.01.005
[10] Atchley J, Hofler A. Acoustically generated temperature gradients in short plates. J. Acoust. Soc. Amer 1990;  88(1): 251-363.  DOI 10.1121/1.399947
[11] Worlikar S, Knio M.  Numerical simulation of a thermoacoustic refrigerator: II. Stratified flow around the stack. J. Comput. Phys 1998; 144(2) : , No. 299-324.   DOI 10.1006/jcph.1997.5816
[12] Kim T, Suh S. Linear resonant duct thermoacoustic refrigerator having regenerator stacks. Proceedings of the 16th International Congress on Acoustics, Ochmann; 1998.
[13]  Duffourd S. Refrigerateur thermoacoustique: etudes analytiques et experimentales en vue dune miniaturisation. PhD thesis, Ecole Centrale de Lyon; 2001.
[14] Piccolo A. Numerical computation for parallel plate thermoacoustic heat exchangers in standing wave oscillatory flow. Int. J. Heat Mass Trans 2011; 54(3) :13-18. DOI 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2011.06
[15] Marx D, Blanc-Bennon P.h. Numerical calculation of the temperature difference between the extremities of a thermoacoustic stack plate. Cryogenics 2005;45(4):163–172.  DOI  10.1016/j.cryogenics.2004.08.007
[16] Goudarzi A. Exergy Analysis of a Gas to Liquid Compact Heat Exchanger as an
Intercooler for Various Working Conditions. J. Aerospace Mech 2021; 16(3): 85-98 . (in Persian).  DOI 20.1001.1.26455323.1399.16.3.7.5
[17] Roy D, Ghosh s. An experimental study on the effect of various stack materials on thermo acoustic refrigeration effect. J. Phys 2021; 20(4): 1-10. DOI 10.1088/1742-6596/2070/1/012220
[18] Kajurek  J. The influence of stack position and acoustic frequency on the performance of thermoacoustic refrigerator with the standing wave.  Arch. Therm 2017; 38(4): 88-107.  DOI 10.1515/aoter-2017-0026
[19] Wantha CH. The impact of stack geometry and mean pressure on cold end temperature of stack in thermoacoustic refrigeration systems. Int. J. Heat Mass Trans 2018; 54(2): 2153–2161. DOI 10.1007/s00231-018-2280-z
[20] Amirin  T, Yulianto M. Experimental study of thermoacoustic cooling with parallel plate   stack in different distances. International     Conference on Design, Energy, Materials and Manufacture, Indonesia; 2019. DOI  10.1088/1757-899X/539/1/012037
[21] Vesely M. Difference between working gases in thermoacoustic engine. Epj. Web. Conf. 2014, 67(5):1-4.  DOI 10.1051/epjconf/20146702126
[22] Shahrjerdi A, Nazari F. Numerical simulation of the effect of geometric parameters of silencer on its acoustic performance. J. Fluid Mech. Aerodynamics 2014; 12(2): 57-67. (in Persian). DOI 20.1001.1.23223278.1402.12.2.5.6
[23] Blance N, Yange R. Thermo acoustic engines with near-critical working fluids”, Appl. Therm. Eng 2023; 231(7): 1-13.   DOI 10.1016/j.applthermaleng.2023.1208
مکانیک سیالات و آیرودینامیک
دوره 13، شماره 1 - شماره پیاپی 33
بهار و تابستان 1403
مرداد 1403
صفحه 115-128

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 05 اردیبهشت 1403
  • تاریخ بازنگری: 10 خرداد 1403
  • تاریخ پذیرش: 03 تیر 1403
  • تاریخ انتشار: 01 مرداد 1403

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار