大振幅熱聲波的對(duì)流換熱是傳熱學(xué)領(lǐng)域尚未充分研究的問題。本項(xiàng)目將建立基于大功率脈沖加熱技術(shù)的熱聲對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，精確測(cè)量大振幅熱聲過程壓力、速度及溫度等參數(shù)和聲音信號(hào)的變化規(guī)律以及熱聲波的傳熱效應(yīng)；開發(fā)適用于大振幅熱聲波流動(dòng)及傳熱數(shù)值模擬的高階穩(wěn)定離散格式和高效算法，對(duì)熱聲波的流動(dòng)及傳熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬；在實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行理論分析，建立大振幅熱聲波對(duì)流換熱的簡化數(shù)學(xué)模型，查清非線性效應(yīng)對(duì)其流動(dòng)和傳熱的影響。本項(xiàng)目的研究將拓展熱聲對(duì)流換熱這一新的傳熱學(xué)研究方向，為熱聲技術(shù)的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。 2100433B

通常對(duì)流換熱的研究方法分以下四種：

分析法。在相應(yīng)描述邊界條件和一類對(duì)流換熱的數(shù)學(xué)問題求解偏微分方程取得解析速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)。由于數(shù)學(xué)計(jì)算條件的限制，目前對(duì)于個(gè)別簡單的求解問題可以分析對(duì)流換熱系數(shù)，如二維邊界層的層流流動(dòng)。當(dāng)然，分析法的最大優(yōu)點(diǎn)是能深刻揭示物理量之間的依變關(guān)系，也是其他評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)理論依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)法。實(shí)驗(yàn)法依然是求解對(duì)流換熱問題的重要的方法，由于對(duì)流換熱問題是個(gè)復(fù)雜動(dòng)態(tài)的過程，尤其是對(duì)于在真實(shí)環(huán)境下建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜換熱情況，進(jìn)行一個(gè)準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)方案是解決這類復(fù)雜問題的唯一途徑。

比擬法。以能量守恒和動(dòng)量守恒定律為基礎(chǔ)，建立換熱系數(shù)與阻力系數(shù)之間的關(guān)系式，再利用測(cè)定的阻力系數(shù)計(jì)算出表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。在傳熱學(xué)早期發(fā)展中，這一方法曾是計(jì)算湍流換熱等問題的求解方法。隨著實(shí)驗(yàn)設(shè)備的完善、測(cè)試技術(shù)的迅速發(fā)展以及計(jì)算機(jī)對(duì)于流體的分析日益強(qiáng)大，近年來這一方法也使用較少。

數(shù)值法。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用數(shù)值計(jì)算的普及和發(fā)展，對(duì)流換熱過程的數(shù)值分析逐漸成為一種主要的求解方法，其結(jié)果可信性也逐步提高。數(shù)值模擬方法類似于用計(jì)算機(jī)來做有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)，可以形象再現(xiàn)流體在大環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)情況，能更加有效地解決實(shí)驗(yàn)不能解決的問題，對(duì)于分析問題有很大幫助。

時(shí)均流誘導(dǎo)熱聲振蕩是一種新型的能量轉(zhuǎn)換方法，基于其原理可建成完全沒有運(yùn)動(dòng)部件的、以風(fēng)能驅(qū)動(dòng)的熱聲制冷機(jī)。本項(xiàng)目擬從理論、數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)三方面對(duì)其機(jī)理進(jìn)行研究：建立時(shí)均流剪切邊界層非穩(wěn)定性問題的多維度、可壓縮流、非穩(wěn)態(tài)物理模型，確定聲場(chǎng)工作頻率和強(qiáng)度與漩渦形成周期、數(shù)量和運(yùn)動(dòng)速度的定量關(guān)系。在此基礎(chǔ)上引入非線性熱聲學(xué)理論，首次建立時(shí)均流誘導(dǎo)熱聲振蕩的完整物理模型。基于DES算法，利用CFD方法對(duì)物理模型數(shù)值求解，獲得壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和密度場(chǎng)的數(shù)值解，實(shí)現(xiàn)完整物理場(chǎng)分析；研制一臺(tái)時(shí)均流驅(qū)動(dòng)的高效熱聲制冷機(jī)，在熱聲板疊上產(chǎn)生不小于150K的可用溫差，對(duì)時(shí)均、交變流場(chǎng)中的壓力（波動(dòng)）、速度（波動(dòng)）、溫度（分布）進(jìn)行精確測(cè)量，通過綜合分析發(fā)現(xiàn)其中蘊(yùn)含的規(guī)律。最后，通過理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，探明時(shí)均流、誘導(dǎo)聲場(chǎng)、熱聲效應(yīng)之間的耦合作用機(jī)理，為實(shí)現(xiàn)以自然風(fēng)等時(shí)均流驅(qū)動(dòng)的熱聲制冷機(jī)奠定理論基礎(chǔ)。

在自然界、人類生活和生產(chǎn)活動(dòng)中存在大量的對(duì)流換熱現(xiàn)象。研究對(duì)流換熱系數(shù)，我們先要理解對(duì)流換熱的定義。對(duì)流換熱是指固體壁面與環(huán)境流體直接接觸時(shí)所發(fā)生的熱量傳遞過程，它發(fā)生在緊靠固體表面的邊界層中。如果流體的流動(dòng)是外力推動(dòng)而形成的，則由此引起的對(duì)流換熱為強(qiáng)迫對(duì)流；如果流體的流動(dòng)是有緊靠熱表面的受熱流體的浮力運(yùn)動(dòng)而引起，則這種對(duì)流換熱稱為自然對(duì)流。為了便于分析研究，通常總把傳熱現(xiàn)象看作是熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種最基本形式在其體場(chǎng)合下的不同組合。熱傳導(dǎo)，是指物體各部分之間沒有相對(duì)位移或者不同物體直接接觸時(shí)依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的熱量傳遞現(xiàn)象。由于直接接觸而發(fā)生能量傳遞的現(xiàn)象。