PC-TAS：相变和经典热声系统设计工具

软件X 19（2022）101142原始软件出版物PC-TAS：相变和经典热声系统的设计环境杨锐a，b，1，内森·布兰克c，1，阿里尔·瓦尔迪-乔查纳c，诺姆·乌扎纳b，盖伊·Z。Ramonc，中国科学院理化技术研究所低温学重点实验室，北京100190b以色列理工学院土木环境工程系c以色列理工学院Nancy and Stephen Grand Technion能源项目和土木环境工程，以色列海法32000ar t i cl e i nf o文章历史记录：2021年12月8日收到收到修订版，2022年5月9日接受，2022年保留字：热声学相变热声热声发动机热声制冷机a b st ra ct热声技术是一种新型的高效、低成本、环保的发电、制冷等应用技术。特别是，相变热声转换是该领域的一个较新的补充，预计将显着提高热声系统的性能。在这里，我们提出了PC-TAS，能够模拟相变热声和经典（无相变）系统的工具。该工具可用于研究（相变）热声系统如何在稳态下工作，通过计算声场，温度场和组分浓度场的分布。 首先描述通用模型框架，然后是代码的结构。接下来，举例说明了包括相变和经典热声系统的例子，并且针对广泛使用的软件DELTAEC（Ward B et al.低振幅热气动能量转换的设计环境。在：软件用户指南. Los Alamos NationalLaboratory; 2008，la-CC-01-13），并对照可用的实验数据。实验结果表明，PC-TAS为热声系统，特别是相变热声系统的设计和研究提供了一个可靠的平台。版权所有©2022作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本1.01用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-21-00236Code Ocean computecapsulehttps://codeocean.com/capsule/4902048/tree法律代码许可证BSD-3条款使用的代码版本控制系统无使用MATLAB的软件代码语言、工具和服务，MATLAB AppDesignerMATLAB应用程序：MATLAB 2020b或更新版本独立桌面版：MATLAB运行时链接到开发人员文档/手册https://wetlab.net.technion.ac.il/files/2021/10/users-guide.pdf问题支持电子邮件ramong@technion.ac.il1. 动机和意义声波与固体边界的相互作用可以导致能量转换，给定热传递和声场之间的适当相位。这种相互作用被称为热声效应，并且可以用于将热量转换为*通讯作者。电子邮件地址：ramong@technion.ac.ilGuy Z. Ramon）。1作者对这项工作作出了同样的贡献。https://doi.org/10.1016/j.softx.2022.101142声功率，或用于通过消耗声功率泵送热量[1]。基于这种效应，热声装置由于没有运动部件、采用环境友好的工作气体和高效率的潜力而被认为是新一代的热机和制冷机[2]。然而，经过四十多年的研究，通过传统途径进一步改善性能的空间，例如改善声学，变得越来越窄，如在行波器件中清楚地看到的，其中所实现的声场变得接近理想2352-7110/©2022作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxRui Yang，Nathan Blanc，Ariel Vardi-Chouchana etal.软件X 19（2022）1011422M=ναβ+ηDdTm×]U，2（1+Pr）（1+εs）Fν˜˜˜stec=ℑ(i.e.、近行波相位和声阻抗大）[3，4]。这是一种很有希望的突破方法，dU1= −iωA气体[1+（γ−1）（1−Fα）+γCm1 − F D]p提高热声系统的性能是使用dxρma21+100人1−CmηD相变热声转换[5 同相-改变热声装置，工作流体是混合物[F−Fην（1−FD）−（1−Fν）由“惰性”气体和“反应性”成分组成，在振荡过程中经历周期性的蒸发和冷凝。相变的存在通过吸收和蒸发潜热以及增加密度和温度的振幅来增加热声过程的能量密度。速度振荡因此，热声转换（1−Pr）（1+εs）FνCmlhdTm1−CmRgT 2dx1Fν（1−Sc）（二）可以增强。这种效应已经在最近的相变（或湿）热声发动机的研究中得到证实，Hstec2−1<$[p1U1（1−Fν−Fα）]−msteclhDX=ρmcp|U1|2<$[（<$Fν−Fα）[1+<$s（1−Fν）/（1−Fα）]−<$F]−（Ak+A k）冰箱[7此外，据预测，相变热声转换具有提高经典热声器件能量密度2 A气体ω（1−Pr）|Fν|2（1+Pr）（1+μs）ν气体S s（三）高达一个数量级，效率高于卡诺极限的40%，特别是在小温差下工作时[9，10]。另一方面，准确和成本效益的计算工具（线性模型为基础的工具，例如）的热声装置的模拟是至关重要的研究，设计和优化的热声系统。然而，现有的工具都不能用来模拟相变热声系统，阻碍了这一新的和有前途的领域的发展。本 文 介 绍 了 相 变 热 声 模 拟 软 件 PC-TAS （ Phase ChangeThermo Acoustic Simulator）的物理模型、程序结构和验证它的图形界面允许用户方便地建立虚拟热声发动机或制冷机。仿真结果，包括声场的细节（压力和速度振幅分布）以及温度和浓度场，可以通过内置图形显示或导出以供进一步分析。通过这种方式，可以显示（相变）热声系统的细节，帮助用户设计或分析热声装置。2. 软件描述2.1. 物理模型热声系统通常由用于热声转换的堆或再生器、用于热输入/输出的热交换器、用于建立适当声场的谐振器以及用于收集/供应声功率的声负载/源组成。图中给出了经典（干式）和相变（湿式）热声系统的一些例子. 1.一、在这些系统中，流体的传热和传质一般可用流体的连续性方程、Navier-Stokes方程和能量平衡方程来描述，并辅以反应组分的质量平衡（如适用）。基于在长波长、低振幅声学近似下，整个方程可简化为三个常微分方程。该简化模型首先由Raspet等人[5]和Slaton等人[6]开发，后来由Weltsch等人[15]和Offner等人扩展。[7]包括其他质量交换过程（例如，吸收和吸附）。在这里，我们使用的尺寸版本的Offner等人推导出的方程。【7】：其中p1和U1分别是振荡压力和体积速度的振幅，Tm和ρm分别表示混合物的平均温度和密度。此外，a是声速，cp是热容，γ是热容比，β是热膨胀系数，Rg是普适气体常数，ω是角频率。k和ks分别表示气体和固体的导热率，lh是反应组分的潜热，Agas和As分别表示气体和固体的横截面积，而Pr是普朗特数，Sc是施密特数。热容量是一个参数，说明固体材料的有限热容量，其表达式为不同的几何形状中使用的沃德等人。[16]已通过。我们注意到，在湿模式计算中，可能需要将来修改的相变，因为目前没有考虑固体表面上的相变的影响这个符号表示复数的虚部. m是时间平均质量通量。函数Fn（nα，ν， D）说明了系统的横截面几何形状。ην和ηD是相变动力学、几何形状和液体层根据Offner等人[7]，对于蒸发/冷凝，假设它们都等于1。Cm是反应性组分的平均质量分数。注意，当Cm0时，等式（1）到（3）恢复了经典热声转换的控制方程因此，该软件可以模拟经典和相变系统，虽然我们强调其用于后者。所有上述参数的表达式/值等式（1）~（3）可以描述热声系统中的大多数效应，但有时也需要考虑其它效应，包括我们遵循DELTAEC [16]来解决这些额外的影响，详细信息可以在用户指南中找到。2.2. 软件结构该软件的代码基于面向对象的结构，保证了系统的健壮性，提高了系统的可重用性，并且在构建系统时易于操作。它的类层次结构显示在图中。二、有两种类型的类派生自超类“组件”。第一种类型是表示 热声系统（蓝色背景）。我们提供了六个物理类：类DP1iωρm交换器;类dx= −F AU1，（1）‘‘Speaker’’ represents the electric-magnetic transducer;ν气体1、+Rui Yang，Nathan Blanc，Ariel Vardi-Chouchana etal.软件X 19（2022）1011423=Fig. 1. 热声系统的一些例子。(a)干行波发动机（改编自Jin等人[17]。）(b)一种湿式驻波发动机（由发动机等人[18]）（c）湿式驻波制冷机（改编自Yang等人，[10]）。AHX-环境换热器，HHX-热换热器，CHX-冷换热器。图二. PC-TAS的类层次结构。超类“组件"包括热声系统的所有物理部分（蓝色背景），以及描述边界条件的目标（绿色背景）。“System”类（橙色背景）代表整个系统，允许组合不同的组件并运行计算。抽象类的名称是黑色文本，而可实现的类的名称是白色文本。独立功能（蓝色文本，粉红色背景）用于混合物和固体性质评估。辅助功能用于系统修改和调查。(For对于图中颜色的解释，请读者参考本文的网络版本类别“顺应性”表示任何形式的声学顺应性，例如，大量的其中某些类别下的细分表示具有特定几何图形的相应组件。每个部件在其入口处获得压力幅值、体积速度幅值、温度和总功率的值。第二个类，在超类“Component”下，是“Target "类。目标是非物理类（即，不表示系统的实际段），表示边界条件，我们将其称为射击算法的“目标”。我们提供了四个预定义的目标：'通常表示大声学顺应性的边界的循环配置，施加周期性边界条件。 The ‘‘Jacket’’,usedatthetransition between an isolated和一个夹套组件，目标Htec2Etec2 并且因此防止总功率的非物理中断。“System "类表示由用户使用物理和逻辑组件构建的整个热声系统。当虚拟系统运行时，所有组件被顺序地计算，产生压力和体积速度幅值、温度、质量通量和声功率的分布，每个组件从前一个组件接收其输入参数。TheRui Yang，Nathan Blanc，Ariel Vardi-Chouchana etal.软件X 19（2022）1011424||图三. Jin等人[ 17 ]设计的行波发动机中体积速度振幅（顶部）和压力振幅（中间）的分布。 由PC-TAS生成的发动机示意图显示在底部。注意，谐振器仅部分示出，因为它太长。见图4。根据来自图1中所示的三个系统的实验数据验证PC-TAS。1.一、(a)Jin等人[17]开发的经典（干式）行波发动机的验证。给出了不同输入热量时热端温度Th（上）和压力幅值p1(b)沿相变（湿）驻波发动机中的堆温度分布的比较，由Rehtin等人设计[18]。（c）第（1）款本文对Yang等人研制的相变（湿）驻波制冷机在不同温差下的制冷功率进行了理论计算和实测比较。[10 ]第10段。“辅助功能”用于虚拟系统建立后的系统修改和调查。具体地，函数“ChangeSmooth "改变系统的几何和物理参数（即工作频率、组件长度）;“ChangeGas "改变工作流体;”SwitchMode"将相变系统切换为 经 典 系 统 （ 无 相 位 变 化 ） 或 反 之 亦 然 ;“InsertSmooth "和”RemoveSmooth"分别用于将物理组件插入系统或从系统中移除物理组件。3. 验证和示例为了说明PC-TAS模拟的质量，在下文中，我们将获得的结果与广泛使用的经典（干）热声系统软件的结果进行比较，并与相变（湿）和经典（干）系统。所有示例都随安装文件一起提供。3.1. 根据DELTAEC进行我们首先验证了干模式性能的PC-TAS对软件DELTAEC，已被广泛用于模拟干热声[1，16，17]。Jin等人提出的行波发动机 [17]其原理图可见图。 1（a）是一个例子。由于配置的对称性，仅模拟了系统的四分之一 如可见于图 3，压力幅值p1和体积速度幅值U1的计算结果与DELTAEC的结果基本一致，证明了PC-TAS的干模性能是可靠的。Rui Yang，Nathan Blanc，Ariel Vardi-Chouchana etal.软件X 19（2022）1011425≪3.2. 实验验证然后，我们将计算结果与Jin等人[ 17 ]的发动机实验数据进行了比较，在不同输入热量下的压力幅值和热温度分布方面，如图所示。第4（a）段。计算的和实验的压力振幅的趋势和幅度都很好的协议，计算的温度显示误差高达10%。偏差的一个原因是Gedeon流，它存在于环形配置中，可能会显著扭曲温度场[1，19]，但由于缺乏可靠的方程，因此未包括在模拟中。此外，谐振器和再生器之间的横截面积的突然变化可能导致局部径向效应，这是未考虑的，因此也可能引入误差。为了验证湿模模拟，这是一个独特的功能，PC-TAS，我们展示了两个例子和相应的比较与实验数据。第一种情况是一个湿，驻波发动机开发的Reintin等人。 1（b））。沿电池堆计算和测量的温度分布如图所示。 4（b）分别。在所有三种操作条件下，计算的温度与实验数据的趋势吻合良好 第二种情况是由Yang等人[ 10 ]开发的相变驻波制冷机（见图11）。1（c））。计算和实验结果进行了比较，在冷却功率与两个换热器之间的温差，与三个反应组件。 如可见于图 4（c）中，在较小的温差下获得了良好的一致性，并且随着温差的增加，偏差变得越来越大。这主要是由于在堆栈部分的热泄漏，这是忽略了在软件中，并变得更加严重的温差增加。4. 影响相变热声技术是一种高效、清洁、低成本的能量转换技术为热声器件的仿真提供了一种方便可靠的工具。该工具的可访问性将帮助用户了解相关的机制，以及设计和分析相变热声器件。例如，Tsuda和Ueda [11，12]和Yang等人对相变热声系统的理论分析。[10]可以有效地进行由于用户友好的图形界面，有限的热声知识的用户可以执行模拟与很少的时间投资，这将鼓励研究人员可能会受到阻碍的热声理论，似乎是《双城之战》，特别是与相变，进入这个有前途的领域。此外，所提出的软件仍然可以用于经典热声装置的模拟，具有与其前身DELTAEC相同的精度，但是可扩展到在热声的最近研究中出现的新特征（例如，双向涡轮机[20]、压电换能器[21]、摩擦电换能器[22]等）。这些都是安排好的在不久的将来的PC-TAS版本中，尽管也鼓励用户自己添加这些内容。5. 结论在这项工作中，我们提出了软件PC-TAS-相变和经典热声系统（包括但不限于发动机和热泵）的仿真工具。描述了物理模型和代码结构。此外，说明性的例子表明，它是一个可靠的，是研究热声的方便工具特别是，我们强调其最重要的属性，如下：增加物理模拟相变热声转换的能力。面向对象的代码结构，易于操作。用户友好的图形界面，允许通过拖放虚拟组件进行方便的系统设计这里应该提到PC-TAS的一些局限性。首先，该代码求解在线性理论的框架内导出的方程组，并且因此假设一维、单频振荡。这些假设一般是有效的低振幅振荡（p1pm），无论是在湿模式和干模式。高阶效应，例如流、附加谐波以及空间效应（例如，在过渡点、近端终端等），可能导致在更高振幅下的显著偏差。其次，理想气体模型和动力学模型估计的混合物的传输特性也将受益于额外的验证。最后，在湿模式下，PC-TAS假设混合物与反应组分的液体层接触，这表明永久润湿，或者替代地，吸附到具有足够材料容量的层/从具有足够材料容量的层吸附。在不保持这些条件的情况下，预计计算中也会出现一些错误。这些额外的影响构成了理论的未来扩展，最终，软件。利益冲突我们希望确认，本出版物不存在任何已知的利益冲突，也不存在可能影响其结果的重大财务支持。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作确认这项研究得到了以色列能源和水利部第216-11-024号和第219-11-127号拨款的支持。 R.Y.公司 得到了以色列委员会的部分资助高等教育。附录A. 补充数据用户手册、源文件和安装文件都包含在出版时的补充材料中。以 上 所 有 内 容 的 最 新 版 本 以 及 视 频 教 程 可 在https://wetlab.net.technion.ac.il/pc-tas/与本文相关的补充材料可以在https://doi.org/10.1016/j.softx.2022.101142上找到。引用[1]Swift GW.热声学：某些发动机和制冷机的统一观点。美国声学学会，2003年。[2]Backhaus S，Swift G.一种热声斯特林热机。Nature1999;399（6734）：335-8.[3]徐军，罗娥，霍赫格雷布.一种用于废热和LNG冷能回收的热声冷热电联产（CCHP）系统。能源2021;227：120341。···Rui Yang，Nathan Blanc，Ariel Vardi-Chouchana etal.软件X 19（2022）1011426[4] 毕涛，吴忠，陈伟，张玲，罗娥，张宝。大功率四级环形行波热声发电机的数值与实验研究1.能源2021;122131.[5] Raspet R，Slaton WV，Hickey CJ，Hiller RA.惰性气体冷凝蒸气热声理论：传播方程. 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