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.     

基于场协同理论的热声回热器数值研究

热声回热器是热声热机的重要部件。基于Rayleigh准则,提出回热器内流固之间的对流换热强度是影响热声热机整体性能的重要因素。利用改进的数值模型,模拟了平行板叠内回热器的速度与温度分布特性,并分析了板叠内部对流换热及整机性能之间的对应关系。此外,基于强化对流传热的场协同理论,提出了4种新型结构的异型回热器,并分别对其换热性能与热声转换性能进行了对比分析研究:表明采用混合型回热器的热声热机具有更优越的工作性能,输出声功的压力振幅较普通结构回热器可提高2.8%。研究结果验证了热声回热器内部对流换热强度与热声热机性能呈正相关性,通过改良回热器结构可有效提高热声热机的热声转换性能。     

二维谐振腔中声驻波的格子气仿真

引入带温度的9_Bit正方形格子气自动机模型,利用Monte Carlo方法模拟声源并激发平面波,在二维谐振腔中建立了声驻波场。该模型能够动态地反映声波的建立和演化过程,为进一步模拟分析热声效应等物理过程提供了可视化的有力工具     

热声热机场方程的改进计算

本文讨论热声热机于二种热力学媒质组成的热声变换堆内外，温度、速度和压力场所应满足的改进的场方程．以PI和dP_1／dx等作为待定参数时，速度u_1和温度T_1的解式．并讨论了解式的含意与实验结果的对照．     

热声热机中的能量模拟与分析

文中主要对回热器中的能流及其能流分量进行了模拟 ,并在此基础上分析了能流及其分量对热声热机的影响 ,为更深地理解热声热机中所发生的能量转换现象 ,更好地设计热声热机提供有价值的依据和参考。     

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．     

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。     

声波衰减的数值模拟

为了采用计算流体力学方法对热声制冷机进行数值模拟,以突破热声热机现有计算方法的限制,基于压力修正算法的基本思想开发了用于模拟非稳态小马赫数可压缩流动的数值程序,并将其应用于声波衰减的数值模拟.对一维及二维声波衰减过程的模拟显示,数值计算的结果与声学理论的预测符合良好,说明了方法的正确性.     

热声现象的一种非线性模型的研究

本文对一种准一维非线性热声模型进行研究,利用该模型初步预测了一种热声驱动器的工作特性,并采用一种更简便的差分格式对系统中发生的非线性现象进行了数值模拟。结果表明,在频域内和线性条件下,该模型简化为经典的线性热声模型,可以预测热声驱动器的起振温度梯度;在时域内和非线性条件下,该模型可以模拟热声系统内的瞬态压力波由初始增长,经过非线性演化,最终达到饱和的全过程;最后,还讨论了板叠上的温度差对饱和压力波的影响。     

非线性二极管系统构成的不可逆热机性能特征分析

研究了一个非线性二极管系统构成的不可逆热机的性能,它是由分别处于两个温度不同的热库中,完全相同的两个非线性二极管反向连接后并联上一个电容器组成的.运用非线性系统涨落理论计算出从两个热库中吸收的热流,考虑热漏损失后得出热机的功率和效率.通过数值模拟可以绘出热机的性能特征曲线以及优化性能参数随两热库温度比等主要参量的特征曲线.分析了二极管的非线性强度、热漏损失和温度比对热机性能特性的影响.最后,讨论了理想二极管热机的性能特征.     

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。     

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。      

热声制冷机回热器的数值研究

以驻波型热声制冷机的回热器作为研究对象,通过对二维可压缩形式的连续性方程、N-S方程、能量方程和理想气体状态方程的数值求解,得到了热声核区域内工作介质的能流密度矢量和能量迹线云图.结果表明:在轴向方向上影响能量传递的主要因素为气体的热传导项.     

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.     

Optimal acoustic fields in compact thermoacoustic refrigerators

Thermoacoustic refrigerators have been developed during the last 15 years, employing quasi-standing resonant acoustic waves inside fluid-filled cavities to transfer heat along a stack region. Because higher efficiency can be reached when a significant travelling wave component exists in the resonator, specific resonant thermoacoustic devices have been designed allowing to adjust more or less the ratio of travelling and standing wave components. However, the acoustic pressure field and the particle velocity field do not appear to be the optimal ones, for the thermal quantities of interest. Thus, it is the aim of the paper to present a new kind of thermoacoustic standing wave-like device which allows to control easily and independently the pressure field and the particle velocity field, after investigating the optimal acoustic field, in the stack region, for the main parameters of interest, i.e. the temperature gradient, the thermoacoustic heat flow and the coefficient of performance.     

改进型驻波热声发动机的实验研究

压比是热声发动机性能的一个重要衡量参数。驻波发动机由于自身热力过程的不可逆性,使得目前所能获得的压比通常都比较低。笔者认为除了发动机各部件的尺寸参数之外,换热器的换热性能也是影响发动机压比的一个重要参数。因此本文对驻波热声发动机的换热器进行了改进设计,增强了加热器与工作介质的换热效果,系统的工作压比有了较大的提高。采用氦气、氮气和二氧化碳作为工质,其压比分别达到了1.15、1.22和1.215。     

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。     

Study of acoustic field modulation in the regenerator by double loudspeakers method

A model to modulate acoustic field in a regenerator of a thermoacoustic system by the double loudspeakers method is presented in this paper. The equations are derived for acoustic field modulation. They represent the relations among acoustic field (complex pressure p(0), complex velocity u(0), and acoustic impedance Z(0)), driving parameters of loudspeakers (voltage amplitude and its phase difference), and operating parameters involved in a matrix H (frequency, temperature of regenerator). The range of acoustic field is adjustable and limited by the maximal driving voltages of loudspeakers according to driving parameters. The range is simulated and analyzed in the amplitude-phase and complex coordinate planes for a given or variable H. The simulated results indicate that the range has its intrinsic characteristics. The expected acoustic field in a regenerator can be obtained feasibly by the modulation.