行波型热声发动机起振温差的研究

热声机械作为一种新型的能量转化装置 ,讨论其起振温差对于利用低品位能源具有非常重要的意义。文中讨论了行波型热声发动机起振温差的计算方法 ,得到了回热器结构、工作介质、丝网、频率等对起振温差的影响规律     

热声发动机起振行为实验研究

研究了热声发动机起振过程,对Benavides构建的动力学模型的计算方法进行了优化,计算了控制压力、回热器参数和系统频率对热声发动机起振温度的影响。并进行了实验,计算结果与实验结果一致,证明了优化效果。     

热声系统中振荡滞后特性的试验研究

针对热声热机中存在着强烈的非线性热声自激振荡现象,在自行研制的"驻波型热声发动机试验平台"上,对采用He/Ar混合工质的驻波热声发动机系统的起振与消振过程的动态特性进行了详细的试验研究.试验结果表明:对于混合工质热声发动机系统同样存在热声自激振荡的滞后现象和振荡滞后回路;并且在一定的氦氩配比下,发现了"二次起振"的现象,更进一步验证了热声自激振荡的复杂性.     

新型热声谐振机构的理论分析和实验验证

谐振管作为热声发动机的重要组成部分,其长度占整个系统轴向长度的大部分。本文提出了一种利用液体和弹性膜组成谐振系统的方法,并使用这种谐振系统取代谐振管,使系统轴向尺寸减少为原来的1/5。文中利用线性热声理论对该谐振系统的谐振频率进行了计算,并对不同阻尼系数对系统的耗散做出了分析。实验结果表明,在利用驻波热声发动机驱动的情况下,谐振系统自激起振,谐振频率为360 Hz,实际谐振频率与计算值误差在5%以内。     

四分之一波长锥形谐振管共振频率的研究

在热声发动机系统中,谐振管用来调节系统的超振频率.通常的四分之一波长谐振管由一段谐振管后面连接一个比较大的气体容积构成,与二分之一波长谐振管相比,在相同的起振频率下前者可以有相对短的管长.锥形谐振管除了调节频率外,还可以提高热声发动机输出压力波的压比.本文通过数值计算软件Fluent6.0中的K-ε湍流模型模拟了不同长度、不同的进出口直径的一系列锥形谐振管,得出了近似四分之一波长锥形谐振管的共振频率与其长度、锥度之间的关系,并初步与实验进行了对照.     

同轴型行波热声热机的实验研究

自行设计搭建了国际首台同轴型行波热声热机的实验装置 ,以氮气为工质 ,获得频率为1 3 7Hz的谐振声波。回热器热端温度达到 2 0 0℃左右时 ,热声热机开始起振 ,平均振幅 0 .1 4bar     

热声发动机的CFD数值模拟

采用计算流体动力学(CFD)方法,对高频驻波热声发动机和热声斯特林发动机实验系统分别进行了二维和三维数值模拟。计算模型具有与实验系统相同的几何结构、尺寸和运行工况。对计算模型的有效性进行了研究,表明实现有限换热条件的板叠实物模型适合驻波热声发动机的模拟,而实现局域热平衡的多孔介质模型适合热声斯特林发动机的模拟。计算结果成功观测到了非线性的自激振荡演化过程,捕捉到了两种发动机的不同非线性现象。计算结果分别给出了两种热声发动机内部的声场分布特性和复杂流场。计算结果与实验结果的对比验证了CFD方法对高频驻波热声发动机和热声斯特林发动机模拟的有效性。     

热声发动机起振过程系统温度时序特性

针对热声发动机起振过程中复杂的温度变化,在自行研制的"驻波型热声发动机试验平台"上,开展了在不同的工质类型、充气压力等试验工况下,热声发动机起振过程的轴向温度分布规律和变化特征的试验研究,试验结果表明:对于氮气、氩气而言,其系统温度动态特性规律基本一致,且热声核温度梯度和热声板叠温度梯度存在较明显的差别;而对于氦气,其系统温度动态特性不同于前两类气体,且热声核的温度梯度和热声板叠温度梯度的差别十分微弱,可见,不同的工质类型将直接影响到发动机起振过程系统温度的动态变化特性.     

热声起振现象的模拟研究

热声现象中广泛存在非线性效应,其中最典型的就是热声自激起振.本文建立了一个四分之三波长的Rijke管计算模型,基于并行计算,采用数值模拟对其起振现象进行了模拟.研究了不同初场对起振行为的影响,得出起振后的气体振荡频率,并对管内的流动与换热规律进行了详尽分析.模拟结果与文献结果相吻合.本文工作有助于更多地了解热声起振现象,同时也为我们开展热声问题的介观模拟提供了有力的参考.     

热声发动机的优化计算设计

把改进的12-Bit格子气模型用于复杂边界的热声发动机的模拟研究,成功模拟了带共振腔的驻波管中热声振荡演化过程。对热声板叠的长度、热声板叠在共振管中的位置以及共振腔的几何大小对热声振荡振幅的影响进行了数值计算。计算结果显示,当共振腔与细管的宽度比为2.2,板叠位置相对于细管长为0.34时,驻波管中热声振荡振幅达到最大。共振腔尺寸的研究,对于热声发动机性能的的优化设计有指导意义。     

热声谐振管的实验研究

本文主要介绍作者热声谐振管研制方面的工作，作者成功地研制了热声谐振实验装置系统。     

驻波热声系统的自激振荡机理

热声发动机的起振过程是一个产生并维持自激振荡的过程, 研究热声自激振荡机理有助于进一步了解热声效应的实质. 根据热声网络理论, 建立了驻波热声发动机的整机网络. 将热声网络比拟成电网络, 利用厄米特式计算了输入热声网络的视在功流, 功流平衡对应自激, 在角频率虚部为零的情况下计算了热声发动机的阈值温度和运行频率. 结果表明, 计算值与实验值符合得较好, 充气压力与阈值温度和运行频率的耦合关系大致相同. 所得结论有助于进一步探究热声效应机理以及热声发动机系统的优化设计.     

Influence of stack geometry and resonator length on the performance of thermoacoustic engine

Thermoacoustic engines convert heat energy into high amplitude sound waves, which is used to drive thermoacoustic refrigerator or pulse tube cryocoolers by replacing the mechanical pistons such as compressors. The increasing interest in thermoacoustic technology is of its potentiality of no exotic materials, low cost and high reliability compared to vapor compression refrigeration systems. The experimental setup has been built based on the linear thermoacoustic model and some simple design parameters. The engines produce acoustic energy at the temperature difference of 325–450 K imposed along the stack of the system. This work illustrates the influence of stack parameters such as plate thickness (PT) and plate spacing (PS) with resonator length on the performance of thermoacoustic engine, which are measured in terms of onset temperature difference, resonance frequency and pressure amplitude using air as a working fluid. The results obtained from the experiments are in good agreement with the theoretical results from DeltaEc.     

Theoretical and experimental investigation of onset characteristics of standing-wave thermoacoustic engines based on thermodynamic analysis

A simplified physical model for calculating the onset temperature ratio and the frequency of a standing wave thermoacoustic engine (SWTE) in the time domain is built based on thermodynamic analysis. Coefficients of transient pressure drop and heat transfer are first deduced from linear thermoacoustic theory. By numerical computation, the evolutions of the pressure amplitude and the spectrum characteristics during the onset process are presented. Furthermore, the effects of stack spacing, charge pressure, and resonator length on the onset temperature ratio and the frequency are calculated. Relatively good agreement between the computational and the experimental results has been achieved, which validates the model for calculating the onset characteristics.     

高频热声驻波发动机性能的实验研究

热声驻波发动机由于内禀的不可逆性而热效率较低,但其系统结构简单和可靠性高的优点使其仍具有一定的应用前景。目前,对高频驻波系统研究较少,搭建了一台高频热声驻波发动机,研究了板叠和谐振管对系统的重要作用,另外,初步探讨了系统热腔内的温度演化过程和稳定振荡时的温度分布特性,这对高频热声驻波发动机实验和数值研究具有指导意义。     

热声发动机的格子气模拟

在传统的9-bit格子气模型中引入了温度区的概念,并应用于热声发动机的模拟研究.利用改进后的格子气模型,模拟了热声谐振管中的自激振荡和二维温度场的分布及温度随时间的演化过程,同时,对热声板叠的长度和在声场中的位置对声幅的影响也进行了数值研究,所得结果对板叠的优化设计是有价值的.通过对模拟和实验结果的比较,验证了热声机格子气模型的有效性,表明格子气方法适用于热声模拟.     

A numerical simulation method and analysis of a complete thermoacoustic-Stirling engine

Thermoacoustic prime movers can generate pressure oscillation without any moving parts on self-excited thermoacoustic effect. The details of the numerical simulation methodology for thermoacoustic engines are presented in the paper. First, a four-port network method is used to build the transcendental equation of complex frequency as a criterion to judge if temperature distribution of the whole thermoacoustic system is correct for the case with given heating power. Then, the numerical simulation of a thermoacoustic-Stirling heat engine is carried out. It is proved that the numerical simulation code can run robustly and output what one is interested in. Finally, the calculated results are compared with the experiments of the thermoacoustic-Stirling heat engine (TASHE). It shows that the numerical simulation can agrees with the experimental results with acceptable accuracy.     

负载对热声发动机性能的影响

热声发动机作为一种完全没有运动部件的能量转化和传输机械具有广阔的应用前景.为了提高热声发动机的驱动性能,本文采用变负载法对热声发动机性能的影响因素进行了实验研究.实验结果表明,负载的阻力和容抗对热声发动机的加热温度、压比和声功引出有重要影响.同时,实验中还发现了能够使热声发动机瞬时消振和起振的实验方法,将极大方便对热声发动机的开关控制.     

黎开管非线热声效应的研究

基于能量守恒原理对Rijke管热声效应展开了理论分析,采用内外流场耦合法数值模拟了Rijke管自激励起振和饱和过程的声场特性,并开展了相应的实验研究.推导了Rijke管起振、饱和及高次谐波产生过程中的能量变化,分析了Rijke管非线性效应包括高次谐波和波形畸变的影响因素,提出了改变管口声阻抗可弱化非线性效应的方法.结果...