室温磁制冷活性蓄冷器多孔介质模型及其数值模拟

　　室温磁制冷是一种绿色环保的新型制冷技术,具备多项优良性能,如结构紧凑、安全性高、噪声小及效率高.由于其未来广阔的应用前景,室温磁制冷已成为世界各国的研究热点,并已成为国际制冷学会9个前沿研究方向之一,同时还建立了室温磁制冷研究工作组.

　　磁制冷是以磁性工质的磁热效应(MCE)为基础的[1].室温条件下磁性材料的晶格熵非常大,制冷能力的一部分消耗于冷却晶格热负荷,系统的制冷能力下降,因此在室温磁制冷中必须采用蓄冷器,以提高制冷量(Qc).活性蓄冷器(AMR)技术由于可以减少外部蓄冷器形式中二次换热产生的不可逆损失,以及内部蓄冷器形式中由于不同温度的蓄冷液体混合所产生的不可逆损失,而成为室温磁制冷系统中的核心部件,其热力性能是室温磁制冷机效率高低的关键所在[1-2].

　　基于简化的多孔介质模型,国内外一些学者对不同流动工况下AMR内部温度分布、制冷量、耗功及性能系数(DCOP)的变化规律进行了研究[3-4].这些模型将流动简化为一维稳态流动并假设流体物性参数为常数,导致模拟结果与实验结果存在较大偏差.

　　本文在文献[5]研究的基础上,结合分子场理论考虑AMR内驻留流体的影响、固体和流体相热扩散影响、热流边界影响及流体物性非定常,建立了室温磁制冷活性蓄冷器二维复杂多孔介质模型,考察了模型新增各项对AMR制冷性能的影响,并对模型进行了验证.采用所建模型获得了励(退)磁过程金属Gd的温度变化,并对AMR内均布5点温度梯度及复叠情况进行了数值模拟.

　　1 复杂多孔介质模型

　　1.1 能量方程

　　本文将AMR多孔介质填料床简化为二维平面,如图1所示.AMR的长、宽、高分别为0.13m、0.072m、0.033m,磁性工质粒径为0.3mm.考虑非Darcy流动(边界效应、惯性效应)、热扩散效应、均匀介质、热流边界效应及流体物性非定常,建立如下二维复杂多孔介质数学模型

　　式中:E为孔隙率;Qf为流体密度;Qs为固体密度;cf为流体比热容;cs为固体比热容;Tf为流体温度;Ts为固体温度;t为时间;V#为流体容积流率;Ac为流通区域横截面面积; asf为比表面积;hsf为固体与流体间表面传热系数;Kfeff和Kseff分别为流体和固体的有效导热系数;H为磁场强度.

　　本文采用Gd作为磁性工质,水作为换热流体.文献[6]根据实验数据采用最小二乘曲线拟合技术获得了水的物性参数随温度的变化规律.由于Gd的导热系数较小,本文中假设其导热系数恒定.多孔介质内流、固相有效导热系数参见文献[7],比表面积见文献[8].此外,本文采用Achenbach关联式[9]来计算流、固两相介质之间的表面传热系数.对于AMR能量方程的求解,需要结合室温磁制冷4个子过程(热流动过程、励磁过程、冷流动过程及退磁过程)循环迭代.冷、热流动子过程中无磁场变化,即