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.     

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。     

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。     

80 K温区的小型行波低温热声制冷机

热声制冷机由于结构简单、无运动部件,具有广阔的应用前景。本文在已有的小型行波热声发动机的基础上,开展了热声制冷的工作。利用线性热声理论对制冷机进行数值模拟,并对制冷机的各热声元件优化。优化后,系统整体装配横向尺寸仅0.5 m,在充气压力3 MPa,发动机输入功率384 W的条件下,达到了80 K的无负载温度。由于本制冷机由行波型热声发动机驱动,并且是通过线性热声理论优化,因此称之为小型行波低温热声制冷机。     

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.     

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.     

热声发动机起振、消振过程的动态行为

针对热声发动机中复杂的起振、消振行为,在自行研制的"驻波型热声发动机试验平台"上,开展了工质类型、加热功率、充气压力等参数对热声发动机起振、消振行为的影响规律研究.试验结果表明:当采用纯氦气和90%氦气+10%氩气的混合气体时,系统存在一最佳的充气压力值,使起振温度和消振温度达到最低;而其余工质,其起振温度与消振温度均随着充气压力增加而逐渐提高;与此同时,由于加热功率对板叠热端温度影响较小,故采用板叠热端温度作为行为特性参数更为合理.     

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.     

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。     

太阳能热声发动机热力性能的实验研究

设计搭建了太阳能热声发动机实验系统,它由双轴全自动跟踪菲涅尔透镜聚焦型集热器和小型化驻波热声发动机两大组件构成。分别对充注不同压力N_2、He、Ar三种工质的太阳能热声发动机的起振温度、起振时热声核温度分布、压力振幅进行了实验研究。结果表明,氮气、氦气和氩气在相同充气压力下,He起振温度最高,N_2起振温度最低;N_2在充气压力1.0 MPa时达到最低起振温度394.8℃,且其压力振幅对充气压力变化不敏感;Ar在充气压力1.0 MPa时达到最低起振温度418.2℃,且其压力振幅随着充气压力的升高而逐渐增加。实验结果为优化太阳能热声发动机系统的热力性能提供了实验依据。     

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。     

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     

回热器功产生的临界温度梯度研究

热声机械作为一种能量转化装置，能够不通过运动部件将热量转变成压力波输出，实现这一功能的关键部件就是回热器，本文讨论了丝网型回热器能在纯行波状态下起振的临界温度梯度与结构参数及运行参数的关系。     

热声发动机系统稳定性分析

热声发动机系统的自激振荡起振过程是在远离平衡态条件下发生的自组织过程,是决定热声发动机能够正常运行的关键过程。本文根据非平衡态热力学,针对起振过程开展热声系统热力学稳定性研究。将Glansdorff-Prigogine稳定性判据引入到热声系统稳定性分析中,借助CFD软件,分析了两种定态的稳定性,两种定态分别对应了温度梯度小于和大于临界温度梯度的情况。验证了非平衡态热力学稳定性分析在热声发动机自激振荡起振现象研究中的可行性。     

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.     

多段式回热器的斯特林热声发动机CFD仿真

热声回热器的温度梯度使得轴向气体存在不同粘性,因此单一水力直径的丝网会引起回热器的直流损失。为了减小该损失,文中提出了多段式回热器结构,建立了适用于大振幅下斯特林热声发动机的三维CFD计算模型。计算结果验证了多段式回热器能有效提高热声发动机的整机性能。该研究有助于增加对回热器的进一步认识和理解。     

行波和驻波模式下热声振荡的临界温度梯度

热声机械作为一种能量转化装置。其效率于传统发动机还有较大差距。本文讨论了热声发动机在驻波和行波两种不同工作状态下,其声功率产生的临界温度梯度与流道尺寸和工作介质的关系,得出了两种模式下最佳的工作条件。结果表明;采用行波形式的热声发动机结构,可以有效降低临界温度梯度,提高热致声的效率,同时可以利用一些低品位来做为热声发动机的高温端。