热声压力波放大器的湍流模型及实验验证

热声压力波放大器是一种利用声学特性将压力波幅值进行放大的一种装置,它主要用来连接热声发动机和其驱动的制冷机,增大制冷机的驱动压比.由于声学压力波放大器内的压力幅值通常较大,流动速度也非常大,所以用线性热声理论难以对其进行准确的计算.本文通过对线性热声理论进行修正,获得了热声压力波放大器内湍流流动的修正方法,并对该修正方法进行了实验验证.研究结果表明,通过修正后的理论模型可以对热声压力波放大器进行较为准确的计算.该计算模型预计在其它的一些交变流动系统中也具有一定的适用性.     

电动声源热声致冷机声学和计算实例

我们将各种热声致机简化为一包括声学终端在内的声管道系统，并通过实例讨论了致冷机的声学特性，该管道系统与一般声管道不同：１．在热声堆中热波和粘滞波不可不计。２．在热声堆与声管连接时，必需考虑合成波的体积流；而热声堆内只需考虑传播波的体积流。本文对此提出了阻抗连接条件的修正。实例使用电动扬声器为声源，给出了热声行波和驻波致冷的声学计算方法以及它们的声学特性，所用扬声器的标称伏安为１００ＶＡ，可为热声致     

扬声器驱动热声制冷机设计研究

热声制冷机主要由声驱动器、共振管、板叠、高低温端换热器、声容等部件组成。它具有运动部件少、运行可靠、振动小和寿命长等优点 ,在军事、航天、微电子、低温物理等领域有着十分诱人的应用前景。文中运用经典线性热声理论对热声制冷机各个组成部件设计进行了介绍 ,在此基础上设计了一台扬声器驱动热声制冷机 ,并用专业计算软件进行了数值模拟验证 ,为热声制冷机进一步优化与发展提供了一个解决方案。     

热声驱动摩擦纳米发电机研究

热声发动机作为一种新型的外燃式热机,具有可靠性高、使用寿命长、环境友好等优点,在热声发电、热驱动制冷等领域具有重要应用前景。本文结合热声技术和摩擦纳米发电技术的特点,首次提出了"热声驱动摩擦纳米发电机"这一热-声-电换能新流程。理论计算了驻波热声发动机和接触分离式摩擦纳米发电机采用末端耦合结构时的换能特性,并开展了系统实验研究。实验中,热声驱动摩擦纳米发电机获得了最高10 V的开路电压输出;在外接电阻为400 MΩ时,最高输出功率为0.008μW,验证了"热声驱动摩擦纳米发电机"这一概念的可行性。     

热声致冷效应演示实验

基于热声致冷原理,利用自制的热声堆,采用常见的材料和仪器,设计了扬声器驱动热声致冷实验演示装置.以空气作工质,在无冷却措施的情况下,系统运行200 s后,实现了13℃的降温及25℃的温跨.     

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。     

驻波热声冷却机的研究

与压缩机制冷相比,热声制冷结构简单、可靠性高和使用寿命长。本文在正常室温(20℃)和室压(1个大气压)的工作环境下以空气为声学介质来探讨热声制冷机的设计及热声制冷效果的影响因素,并制作样机进行实验研究。研究发现:板叠长度和中心位置对热声转换效率影响较大,其数值需要理论与实验相结合来确定;以空气为声学工质,在正常室温、室压下的热声制冷机,用50W的供电驱动、90 Hz工作时可实现冷热端37℃的温差。     

40K温区的热驱动低温热声制冷机

热声驱动脉管制冷机主要由热声发动机和脉管制冷机组成,是一种完全无运动部件的新型低温制冷机。本文在实验室现有行波热声发动机的基础上,运用线性热声理论对两级脉管制冷机进行了设计,并用声学放大器对热声发动机和脉管制冷机进行耦合,提高脉管制冷机的驱动压比,从而获得了41 K的低温,这是目前热声驱动脉管制冷机所获得的最低制冷温度。正因为本热声驱动脉管制冷机系统的热驱动特性及其主要部件都是按照热声理论进行设计,所以我们将其称为热驱动低温热声制冷机。     

液氮温区热声驱动脉管制冷机的研究

热声发动机驱动的脉管制冷机是一种完全无运动部件的低温制冷机,具有非常好的应用前景,本文介绍了本实验室在这方面取得的最新进展。首先我们对驻波热声发动机进行了改进设计,提高了其驱动压比,用氦气作为工质最大压比达到了1.15。在此基础上我们用其驱动同轴双向进气小孔型脉管制冷机,通过调整热声发动机的振荡频率,使之与脉管达到匹配,最终达到了84.3K的最低制冷温度,这也是目前用驻波热声发动机驱动脉管所达到的最低制冷温度。同时,在此实验过程中,一些抑制跳频的方法也得到了实验验证。     

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。     

压力对热声驱动脉管制冷机性能的影响

讨论了充气压力对热声压缩机的起振温度等性能的影响 ,着重研究了工作压力对热声驱动脉管制冷机性能的影响。对自行研制的驻波型热声驱动脉管制冷机进行了改进和优化 ,在最近的实验中取得了 1 2 0 K的无负荷最低制冷温度 ,达到液化天然气温区。     

扬声器驱动热声制冷机的研究进展

热声制冷技术是一项新型的制冷技术,它具有运动部件少、运行可靠、振动小、寿命长、对环境无污染等优点,在航天、超导、低温电子、低温生物等众多领域有着十分广阔的应用前景。本文阐述热声制冷效应的基本原理和热声制冷循环之后,系统介绍了热声制冷机中共振管、板毪、换热器、动力源(扬声器)等部件和制冷工质的研究情况。同时,指出了扬声器驱动热声制冷存在的问题,并对热声制冷的发展进行了展望。     

压电声源驱动的微型热声制冷

有别于传统电动扬声器驱动的热声制冷系统,将以更高频的PZT换能器为驱动源达到谐振系统结构缩减的目的。考虑到热声制冷系统影响因素繁多,在对系统进行性能模拟分析的基础上提出优化设计方案,并建立PZT驱动的热声制冷系统开展实验研究。最后还为下一步工作提出改进思路。     

50 K温区热声驱动脉管制冷

开展了采用声压放大器结构的驻波型热声发动机驱动单级双向进气型脉管制冷机实验研究,考察了声压放大器长度对热声驱动脉管制冷特性的影响.经过实验优化,采用长度3.7 m、直径8 mm的声压放大器,在2.0 kW加热功率条件下,实现1.196的压比,制冷温度达到54.5 K.     

惯性管对热声驱动脉管制冷机性能的影响

为了考察惯性管对热声驱动脉管制冷性能的影响,利用驻波型热声驱动脉管制冷实验装置,开展了惯性管结构参数对系统性能影响的实验研究.实验中所采用的惯性管由直径分别为2 mm和4 mm的两段铜管串联而成,重点研究2 mm直径管段的长度对压比和制冷温度的影响.通过实验优化,当惯性管结构参数为内径2 mm的铜管长度2.5 m,内径4 mm的铜管3 m长时,在加热功率1.8 kW条件下,脉管制冷机的无负荷制冷温度达到63.0 K.     

时均流激声发动机声场特性实验研究

时均流激声发动机利用流体诱导声振荡效应把自然界的风和管道气体的动能转化为声场能,可驱动热声制冷机制冷或驱动发电机和换能器发电,为风能利用提供了新思路。在国内首次搭建了正十字型时均流激声发动机实验台,以一台高压风机提供的气流模拟自然风,获得了稳定的驻波声场。在此基础上,揭示了时均流速、平均压力、斯特劳哈尔数等对时均流诱导声振荡的影响。在平均压力为106.19 kPa、时均流速为50.52 m/s、谐振管长度为0.96 m的条件下,该正十字型时均流激声发动机谐振管内的压力振幅达6.20 kPa,约为平均压力的5.80%,为时均流激声发动机驱动发电装置和热声制冷研究奠定了实验基础。     

热声驱动器谐振频率影响因素分析

分析了结构参数、操作参数以及工质等因素对热声驱动器谐振频率的影响 ,并结合驻波型热声驱动器 ,给出了相应的计算结果和实验数据。     

热声热机热声核内传热与流动特性实验研究

本文通过搭建扬声器驱动的热声热机可视化实验台,利用粒子成像测速仪(PIV)和红外热像仪得到冷、热端换热器间速度及温度场分布,对有无声场两种情况下热声核中速度及温度场的变化进行了实验研究。实验结果表明,外加声场改变了热声核中热对流的基本模式,增强了冷热端换热器间的换热能力,对热声核中的温度分布有着显著的影响。揭示了热声核中的流动与换热规律。     

声波作用下球形颗粒外声流分布的数值模拟

综合考虑声学边界层内的热损失和黏性损失,建立处于平面驻波声压波节位置二维球形颗粒外声流计算模型,利用分离时间尺度的数值方法对颗粒外声流流场特征进行模拟。将模拟结果与相应的解析解和实验结果对比,验证了数值模拟的可靠性。在此基础上,研究了雷诺数Re和斯特劳哈尔数Sr对球形颗粒声学边界层内二阶声流流场结构、涡流强度及范围的影响规律。结果表明,随Sr和Re增大,声学边界层内的涡流结构尺度呈指数形式减小,其涡流尺度与颗粒直径D和激励频率f成反比,与流体介质运动黏度v成正比;且满足低Sr和高Re的声振系统可形成范围较大、更强烈的声流运动。该数值方法可用于对任意物理模型外声流特性的评估。      

热声发动机接入声学放大器的模拟研究

对带声学放大器的驻波型热声发动机进行了数值模拟。得出了系统频率、压比等参数随声学放大器尺寸的变化关系。