بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله به معرفی کد استاس1 با کاربرد مدلسازی پدیده ترموآکوستیک میپردازد. در این مقاله با استفاده از تئوری خطی ترموآکوستیک - مدل خطی هارمونیک پایا - یک کد شبه یک بعدی نوشتهشدهاست. سپس با استفاده از این کد، یک موتور و یک سردساز ترموآکوستیکی مدلسازی شده و توزیع پارامترهای مختلف از قبیل سرعت و فشار نوسانی، کار آکوستیکی و... محاسبه شده و مورد بحث و بررسی قرار میگیرد. سپس نتایج حاصل از نرمافزار مدلسازی با نرم افزار دلتاای مقایسه میگردد. نشان داده شدهاست که نتایج حاصل از کد استاس انطباق بسیار خوبی با نتایج نرمافزار دلتاای دارد، که این امر نشاندهنده دقت و اطمینان نرمافزار استاس میباشد. این نتایج نشان میدهند که میتوان از این نرمافزار به منظور طراحی و بهینهسازی سیستمهای ترموآکوستیکی در رژیم خطی استفاده کرد.
کلمات کلیدی: ترموآکوستیک، مدل خطی، پارامترهای عملکردی، کار آکوستیکی
.1مقدمه
علم آکوستیک و کاربرد آن در ترکیب با علم ترمودینامیک، سبب ایجاد دستاوردهای جدید در زمینههای مختلف علمی و صنعتی شدهاست. ترموآکوستیک مطالعه پدیدهای است که شامل ترمودینامیک و آکوستیک است. اگر اثرات ترموآکوستیک با دامنه نوسانات بالا درون محفظههایی با شرایط خاص کنترل شود، میتوان انرژی حرارتی را به انرژی آکوستیکی و یا بلعکس تبدیل کرد. وسایل ترموآکوستیکی بدلیل دارا بودن مزایایی چون: نداشتن اجزاء متحرک و نتیجتا عدم نیاز به روغن کاری از یک سو و از سوی دیگر تعمیر و نگهداری آسان، عدم ایجاد آلودگیهای زیست محیطی و... نسبت به وسایل مشابه در نوع کاربرد خود، اخیراً توجه و علاقه بسیاری ازمحققان و صنعتگران را به خود جلب کردهاست.
دو مورد از مهمترین سیستمهای ترموآکوستیکی متداول، سرد سازها و موتورهای ترموآکوستیکی میباشند که عملکرد آنها بر اساس تقابل بین امواج آکوستیک و ذرات گاز با محیط پیرامون میباشد. در این میان یکی دیگر از وسایل ترموآکوستیکی که در سالهای اخیر مورد توجه قرار گرفته پمپ حرارتی ترموآکوستیک است که برای بازیابی انرژیهای اتلافی در صنایع و استفادههای شهری بکار گرفته میشود. منبع انرژی اولیه برای موتور ترموآکوستیکی میتواند از منابع گوناگون انرژی نظیر اتلافات گرمایی، انرژی خورشیدی، سوختهای فسیلی و... باشد . از سال 1980، تلاشهای گستردهای به منظور کاربردی کردن وسایل ترموآکوستیکی در کشورهای پیشرفته از جمله آمریکا، هلند، فرانسه و ژاپن آغاز شده است.[1]
یکی از مراکز مهم تحقیقاتی در زمینه ترموآکوستیک آزمایشگاه ملی لوسآلاموس2میباشد2]و.[3 سوییفت ×3که از پیشگامان علم ترموآکوستیک در دنیا میباشد و همکارانش در این آزمایشگاه انواع مختلفی از وسایل ترموآکوستیکی را ساخته و تست نمودهاند.از دیگر مراکز تحقیقاتی فعال در زمینه ترموآکوستیک مدرسه تحصیلات تکمیلی دریایی4 میباشد. یک تیم تحقیقاتی متشکل از گرت5، هافلر6 و همکاران در مدرسه تحصیلات تکمیلی دریایی یک سیستم سرمایش ترموآکوستیک را به نام استار7 طراحی کردند که در ژانویه سال 1992 در سفینه فضایی دیسکاوری مورد استفاده قرار گرفت.[4] از کاربردهای این سیستمها میتوان به صنایع حمل و نقل [5]، صنایع الکترونیک [4] و صنایع پزشکی [6] اشاره نمود.
همچنین این سیستم میتواند در فرآیند بازیاب سیکلهای تولید توان، جهت بازیاب اتلافات حرارتی مورد استفاده قرار گیرد.[7] علیرغم مزایای متعدد سیستمهای ترموآکوستیکی، میتوان از پیچیدگی مفاهیم ترموآکوستیک، دشواری مدلسازی پدیدههای ترموآکوستیکی و راندمان پایین این سیستمها به عنوان معایب این تکنولوژی نام برد. مبانی ترموآکوستیک خطی در یک سری مقالات در سال های 1972-1965 توسط رات8به چاپ رسید. از آن پس همواره محققان در صدد توسعه و بهبود این مدل اولیه بودهاند.[8] در این راستا نرمافزارهایی نیز ایجاد شده است که از آن جمله می توان به نرمافزار دلتا ای9 توسط سویفت [2] اشاره نمود.
تیجانی10در سال 2001 روشی را برای طراحی سردساز ترموآکوستیکی ارائه نمود که مبنای کار بسیاری از محققان قرار گرفته است. یک نمونه سردساز نیز با استفاده از این روش طراحی و ساخته شد 9] و.[10 بابایی در سال 2008 روش وتزل و هرمان11را برای طراحی و بهینهسازی سیستمهای کوپل ترموآکوستیکی توسعه داد.[11]هدف از مقاله حاضر ایجاد و توسعه یک نرم افزار ترموآکوستیکی به نام استاس میباشد که هدف آن مدلسازی و طراحی سیستم-های ترموآکوستیکی در رژیم خطی است. در ابتدا معادلات حاکم به صورت خلاصه مرور میگردد. سپس یک موتور ترموآکوستیکی مدلسازی شده و نتایج حاصل از کد اعتبار سنجی میگردد، و نتایج بحث و بررسی میشود.
.2معادلات حاکم ترموآکوستیک:
سیستمهای ترموآکوستیکی بسته به نوع کاربرد و تحلیل مورد نظر از جنبههای مختلف دستهبندی میشوند. تجهیزات ترموآکوستیکی اصولاً شامل یکی از انواع سردساز، موتور، پمپ حرارتی و یا ترکیبی از این وسایل میباشند. امواج آکوستیکی بهکار رفته میتواند از نوع امواج ایستا و یا رونده باشد. در این مقاله به دلیل سادگی و اجتناب از طولانی شدن مطلب مکانیزم کارکرد یک سردساز ترموآکوستیکی با امواج ایستا تشریح میشود. اجزا اصلی یک پمپ حرارتی - سردساز - با امواج ایستا در شکل - 1 - نشان داده شده است.لوله رزوناتور در برگیرنده اجزا سیستم شامل استک، مبدلهای حرارتی و راهانداز میباشد. مبدلهای حرارتی وظیفه انتقال حرارت به منابع حرارتی را عهدهدار بوده و راهانداز، انرژی آکوستیکی مورد نیاز سردساز را فراهم مینماید.
یک ذره سیال را که درون استک در کنار یک دیواره از سمت راست به سمت چپ حرکت میکند در نظر بگیرید. این ذره حین حرکت به طور آیزنتروپیک فشرده شده و دمای آن افزایش مییابد تا حدی که دمای آن از دیواره سمت چپ بیشتر میشود. بنابراین ذره با دادن مقداری حرارت به دیواره فشردهتر میگردد. پس از آن، ذره سیال کنار دیواره از سمت چپ به سمت راست حرکت کرده و حین حرکت به طور آیزنتروپیک منبسط میگردد و دمای آن کاهش مییابد، تا حدی که دمای آن از دیواره سمت راست نیز کمتر میشود. لذا برای رسیدن به تعادل دمایی با دیواره سمت راست ناچار به گرفتن مقداری حرارت از دیواره میباشد و در نتیجه حجم ذره افزایش مییابد.
از آنجایی که در این سیکل کار آکوستیکی مصرف می شود تا انتقال حرارت از منبع سرد به منبع گرم صورت گیرد، لذا موسوم به سیکل سردساز - پمپ حرارتی - است. از آنجا که معمولاً طول صفحه بزرگتر از جابجایی ذره گاز میباشد، بنابراین انتقال حرارت از یک طرف صفحه به طرف دیگر صفحه توسط دستهای از ذرات در طول صفحه انجام میگیرد. سیکل موتور حرارتی ترموآکوستیک معکوس سرد ساز میباشد و در سیکل موتور، با گرفتن حرارت، نهایتاً کار آکوستیکی تولید میگردد.
