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。     

高频热声斯特林发动机的实验研究

高频热声斯特林发动机具有体积小,热效率高和无机械运动部件等特点,是驱动脉冲管制冷机等回热式制冷机的理想的压力波发生器.本文设计并研制了一高频热声斯特林发动机系统,实验研究了系统布置方位和工作介质对发动机性能的影响.实验结果发现布置方位对起振温度的影响较大,对稳定振荡的波动压力振幅和加热温度影响较小.采用氦气、氮气、氩气和二氧化碳作为工质,工作频率分别是314 Hz、108 Hz、98 Hz和76 Hz时,其压比分别达到了1.17、1.23、1.22和1.24.     

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。     

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。     

驻波型热声发动机的数值模拟

通过对驻波发动机热声边界条件的分析 ,给出了一种用“打靶法”进行迭代运算的循环模式 ,从而避开繁重的矩阵运算 ,计算效率得到有效地提高。最后以一个实例证明本方法计算结果与实验吻合较好。     

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。     

太阳能热声发动机的设计与性能仿真

太阳能聚焦集热器与热声发动机的结合能够成为一种新型的具有广阔应用前景的动力系统,本文建设完成了太阳能驱动热声发动机并对热声发动机性能进行了仿真研究.基于Simulink开发了双轴自动跟踪太阳能集热器的性能仿真程序,并基于自行测量的太阳辐射数据对聚焦式太阳能集热器的热力性能进行了仿真计算.利用太阳能集热器仿真程序的计算结果与热声仿真程序Deltae进行耦合计算,对已经建设完成的太阳能热声发动机的热力性能进行了仿真模拟.仿真结果对于后续实验工作提供了参考依据.     

Modular system for studying tonal sound excitation in resonators with heat addition and mean flow

An educational experimental system has been developed for studying tonal sound generation in acoustic resonators. Tones are excited by either heat addition or vortex shedding in the presence of mean flow. The system construction is straightforward and inexpensive. Several test arrangements and experimental data are described in this paper. The experimental setups include a modified Rijke tube, a standing-wave thermoacoustic engine, a baffled tube with mean flow, and an acoustic energy harvester with a piezoelement. Simplified mathematical models for interpreting data are discussed, and references are provided to literature with more advanced analyses. The developed system can assist both graduate and undergraduate students in understanding acoustic instabilities via conducting and analyzing interesting experiments.     

基于DeltaE的驻波型热声发动机设计方法

在消化和吸收目前普遍接受的热声系统计算软件DeltaE(Design Environment for Low Amplitude Thermoacoustic Engines)的基础上,发展了驻波型热声发动机的结构设计方法;提出引入双参数评估法对发动机性能进行评估,以获取较高的热声转化效率。     

Influence of resonance tube geometry shape on performance of thermoacoustic engine

Based on the linear thermoacoustics, a symmetrical standing-wave thermoacoustic engine is simulated with a cylindrical tube and a tapered one as the resonance tube, respectively. The experiments with both cylindrical and tapered tubes are carried out. The suppression of nonlinear effects due to tapered tube as the resonance tube is discussed. Both simulation and experimental results show that the performance of the tapered tube is better than cylindrical one as the resonance tube.     

热声发动机用加热器的设计与实验验证

热声发动机利用热声效应将热能转换为机械能,热能由核心部件加热器提供。加热器在热声发动机的能量传递和转化过程中起着举足轻重的作用。针对热声发动机的工作特点,介绍了一种采用时均流对流换热公式进行热声发动机用加热器设计的方法。基于该方法,设计了一种新型热声发动机用电加热器,并应用于自行研制的太型多功能行波热声发动机试验台。设计计算和实验结果表明,该加热器能够充分满足热声发动机的加热要求。本文对以振荡流体为特征的换热器设计具有一定参考价值。     

Theoretical prediction of the onset of thermoacoustic instability from the experimental transfer matrix of a thermoacoustic core

The aim of this paper is to propose a method to predict the onset conditions of the thermoacoustic instability for various thermoacoustic engines. As an accurate modeling of the heat exchangers and the stack submitted to a temperature gradient is a difficult task, an experimental approach for the characterization of the amplifying properties of the thermoacoustic core is proposed. An experimental apparatus is presented which allows to measure the transfer matrix of a thermoacoustic core under various heating conditions by means of a four-microphone method. An analytical model for the prediction of the onset conditions from this measured transfer matrix is developed. The experimental data are introduced in the model and theoretical predictions of the onset conditions are compared with those actually observed in standing-wave and traveling-wave engines. The results show good agreement between predictions from the model and experiments.     

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。     

热声热机声场的格子气分析

从格子气自动机演化方程恢复了宏观热声方程,采用D2Q9热格子气模型模拟热声热机系统的压力场、温度场和速度场,获得压力驻波的传播和反射过程。模拟结果显示,在所给模拟条件下压力波具有非线性的特征,变截面附近的流场区域会产生引起非线性耗散的涡流。本文也分析了谐振管几何尺寸及格子气粒子密度对系统频率和压力的影响,验证了热声热机格子气模型的有效性。     

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.