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。     

热声制冷机的一种非线性模型研究

为研究热声制冷机内部的非线性过程,发展了一种可考虑管道截面积变化的时域准一维非线性热声模型,其主控方程由可压流基本控制方程经截面平均的数学处理推导得出,数值求解采用具有频散保持特性的高精度计算格式。采用该模型分别针对活塞、扬声器和热声发动机这三种不同驱动源,将驱动源和热声制冷机进行整体求解,模拟了热声制冷板叠两端温度差在气体微团吸放热的循环过程中逐渐增大的整个过程,预测了谐振管内部驻波的非线性畸变。进而研究了平均工作压力、板叠材料、板叠位置以及扬声器形状等参数的选取对于热声制冷机制冷效果的影响。     

非平行板叠驻波型热声发动机热力性能研究

热声发动机板叠两端存在较大的温度梯度,导致沿板叠轴向的热渗透深度出现严重的不均一性,影响到热声转换效应的发挥。本文提出了板叠结构形式与温度梯度相一致的结构设计理念,并构建了非平行板叠结构的驻波型热声发动机数理模型。针对不同板叠锥角热声发动机的热力性能展开了深入研究和对比分析,得出板叠锥角对热声发动机频率、压比、压力振幅和体积流率等热力参数的影响关系。结果表明:与平行板叠结构相比,当选取合适锥角时,渐缩和渐扩式板叠结构均可提高热声系统的性能,在1°和-2.81°时系统的最大声功流分别提高了103.9%和88.8%。研究结果为进一步改善热声热机性能提供理论支撑。     

气液耦合振动对热声发动机性能的影响

进行了气液耦合振动驻波型热声发动机定量模拟.重点比较分析了单纯气体振动系统和引入[EMIM][BF_4]室温离子液体作为液体活塞的气液耦合振动系统的运行参数,并考察了液体活塞的质量对热声发动机谐振频率、压力振幅以及板叠热端温度等的影响.     

自激振荡热声发动机的整机数值模拟研究

基于线性热声理论,以复频率作为迭代判据,给出具体的四端口网络模拟算法,对两台实际的热声发动机进行了整机数值模拟,并且结合实验结果进行了对比分析。计算结果证明它们的板叠和回热器分别处于驻波和行波为主要分量的声场中, 成为热声转换的核心。另外发现,频率误差不超过1％,相对振幅实验值约为计算值的70％,基本反映实验规律,同时解释了非线性影响是造成误差的主要原因。     

一种太阳能热声发动机的研制及其性能研究

设计搭建了一台由双轴跟踪菲涅耳透镜集热器和驻波发动机组成的太阳能热声发动机,并在此基础上研究了不同工质配比、板叠厚度和谐振管长度对起消振温度和压力振幅的影响。实验结果表明,当氦气摩尔比为0.25~0.50时,混合气体有更低的起消振温度和更大的压力振幅。当板叠厚度由0.45 mm减至0.15mm时,起振和消振温度降低,压力振幅上升。随着谐振管长度的增加,起消振温度降低,压力振幅提高,当谐振管管长2.1 m时分别获得297℃和176℃的最低起振和消振温度,以及69.1 kPa的最大压力振幅。     

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．     

格子气的声振荡衰减

采用格子气数值方法模拟了共振腔中气体声振荡衰减过程．计算结果表明：格子气中声振荡衰减的规律和经典理论结果一致；衰减系数随频率增加而减小，并且随密度增加而减小．该结果可以用来说明一些大学统计物理教科书中的一个经典例子存在不完善之处．本中采用了一种新的扭转9-bit格子气模型和并行计算方法，这些结果对今后研究格子气中的热声问题有参考价值．     

液氮温区高频热驱动脉冲管制冷机实验研究

优化设计并研制了一小冷量液氮温区高频热驱动脉冲管制冷机,系统轴向长度仅为1.2 m.针对之前系统热效率较低问题,在数值计算的指导下,对高频驻波热声发动机的板叠流道尺寸和热腔进行了优化,并对声压放大器进行了调整.采用4.0 MPa氦气为工质,在发动机端加入750 W加热量获得了68.3 K的最低制冷温度,这是目前国际上报道的高频热驱动脉冲管制冷机的最低制冷温度.加入500 W加热量时,制冷机获得了76.9 K的无负荷最低制冷温度,在80 K时有0.2 W的制冷量.     

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。     

容腔调相的单级行波热声发动机起振特性

将容腔结构引入单级环路行波热声发动机系统中进行相位调节,分析了不同容腔位置、容腔内径和容腔长度时系统的起振特性。基于线性热声理论,采用网格传输矩阵数值方法求解系统的起振频率和起振温差;此外,将计算结果与实验结果进行了对比,验证了计算方法的合理性。结果表明:容腔结构可以明显改善系统的起振特性,系统起振温差大幅下降;不同容腔位置处,热机起振特性差异明显;存在最优的容腔内径和容腔长度组合,使得起振温差最低,而容腔尺寸对热机起振频率的影响较小。      

谐振管形状对热声发动机内非线性声场的影响

研究了谐振管一端受活塞声源激励,另一端刚性封闭条件下,管道形状对热声发动机谐振管内部非线性声场的影响。基于流体力学基本方程建立了渐变截面谐振管内一维非线性声场的模型,考虑了黏性耗散及非线性效应的影响。利用伽辽金法数值求解了该模型的速度势方程,分析了谐振管形状、活塞振动速度及激励频率对管内声场的影响。将双曲形、指数形、锥形、正弦形等四种变截面谐振管内的非线性声场与圆柱形直管的情况进行了比较。结果反映了谐振管内声场的压力波动受活塞振动速度及谐振管形状的影响;显示了当活塞振动幅度较大时,谐振管内出现的波形畸变、频率曲线偏移、共振频率滞后等非线性现象;揭示了变截面谐振管在抑制管内的高阶谐波及提高压比等方面的优越性。      

Influence of resonator shape on nonlinear acoustic field in a thermoacoustic engine

The influence of the resonator shape on nonlinear acoustic field in a thermoacoustic engine is studied.The resonator of themoacoustic engine is boundary driving by a piston at one end,and the other end of it is rigid closed.A one-dimensional wave equation that accounts for gas dynamic nonlinearities and viscous dissipation in the resonator is established based on the governing equations of viscous hydromechanics.The nonlinear wave equation is solved using approximate Galerkin method.The nonlinear acoustic field in four different types of shaped resonators including hyperbolical,exponential,conical and sinusoidal are obtained and compared with that of a cylindrical resonator.It is found that the amplitude and waveform of the pressure are strongly affected by the resonator shape,the driving amplitude and the oscillation frequency of the piston.Waveform distortion,resonance frequency shift and hysteresis are observed,when the piston oscillation amplitude is large enough.The advantages of shaped resonator for thermoacoustic engine lie in inhibition of higher order harmonics and improvement of pressure ratio,etc.     

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。     

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.     

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.     

An open-air infrasonic thermoacoustic engine

A low-frequency open-air thermoacoustic engine in a Helmholtz resonator has been constructed. Tests indicate that the system resonates in the Helmholtz mode for modest thermoacoustic stack temperature differences using stacks of varying type and pore size located within the neck of the Helmholtz resonator. The maximum acoustic pressure radiated from the open end of the resonator corresponds to 81 dB-SPL ref 20 μPa at a stack temperature difference of 185 K and an input electric power of 276 W. The system is well characterized by a numerical model of a representative stack.