时均流诱导声振荡的数值计算研究

时均流诱导的声振荡可以为热声制冷提供驱动源或驱动发电机和换能器发电,为风能利用提供了新思路,是热声领域的最新研究方向之一。本文基于计算流体动力学(CFD)方法,建立了正十字型时均流激声发动机的三维数学模型,采用大涡模拟湍流模型计算。计算结果验证了时均流诱导声振荡效应,揭示出谐振管内声场分布和谐振管内部压力与开口处涡的关系,为后续的实验研究奠定了理论基础。     

时均流驱动热声制冷研究进展

时均流驱动热声制冷是热声领域的全新方向,依据该原理工作的热声制冷系统能够利用风能获得制冷效应,完全没有运动部件,为风能利用提供了一种新思路。文中详细介绍了时均流诱导声振荡的工作机理以及时均流驱动热声制冷的最新研究进展,并对该领域的研究进行了展望。     

热声斯特林发电系统的实验研究

本文介绍了一台由热声斯特林发动机及其驱动的直线发电机组成的热声斯特林发电系统原理样机.一方面为满足发电机与发动机间体积流率和相位的匹配要求,另一方面为了能在直线发电机活塞处获得较好的压力波与体积流率间相位关系、提高直线发电机的电功输出能力,装置保留了发动机原有的锥形谐振管.初步实验以氦气为工质,在2.5MPa平均压力、64Hz工作频率下,获得了97W的电功.本文还分析了该热声发电系统的效率,得出直线发电机声电转换效率超过了0.8.然而由于谐振管耗散了大量的声功,目前整机的热电转换效率还较低.     

燃气驱动热声发动机中加热器的设计与实验验证

加热器在热声发动机的能量传递和转化过程中起着重要作用,是热声发动机的核心部件之一。目前热声发动机大多采用电能驱动,采用燃气直接燃烧驱动将对热声发动机的实用化具有积极促进意义。根据热声发动机的工作特点,以时均流对流换热公式为依据,设计了一种新型燃气燃烧驱动加热器,并应用于现有的混合型热声发动机实验台上,取得了较好的实验结果。     

谐振电机耦合型双效自由活塞斯特林子系统性能实验研究

本文提出了一种谐振电机耦合型双效自由活塞斯特林系统,其主要部件有自由活塞斯特林发动机子系统、谐振电机以及自由活塞斯特林制冷机/热泵子系统。全文针对谐振电机耦合型双效自由活塞斯特林子系统分别开展了制冷/热泵子系统、发动机子系统制冷和热功转换特性的实验研究。电驱动制冷子系统实验结果表明,当平均充气压力为3.3 MPa,工作频率为60.0 Hz,水冷温度19℃时,实验系统制冷效果较为显著,输入电功130 W时无负荷的制冷温度可以达到-23.7℃。发动机子系统热驱动声功输出特性实验结果表明,系统充气压力的变化对于系统热驱动起振特性有着十分明显的影响。另外,当平均充气压力为2.9 MPa,水冷温度22℃,外接电阻1500 Ω时,系统的加热功率越高,系统的热功转换性能越好。本文所开展的谐振电机耦合型双效自由活塞斯特林子系统的实验研究对未来要进行的整机系统热驱动制冷实验奠定重要基础。     

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。     

热声发电系统中的拍频效应研究

热声发电是一种新型的发电技术,可有效利用太阳能、工业废热等低品位能源,具有广阔的应用前景。由于存在气体谐振管和发电机两个谐振机构,行波热声发电系统内可能会出现两个频率相近的压力波耦合振荡现象,即拍频现象,影响系统稳定运行。本文基于热力学分析法开展了热声发电系统中拍频效应的理论研究,在时域内得到并分析了不同加热温度下压力增长或衰减的拍频振荡现象。     

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。     

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。     

指数型谐振管内非线性声场的模拟研究

采用气体动理学方法模拟研究五种不同驱动强度下,=0的圆直热声谐振管和=2 2的指数型热声谐振管内的非线性声场特征。研究发现:指数型管能抑制激波及声饱和现象,但管内会出现尖峰现象。尖峰处的压力波形发生了畸变;它们是非线性的能量传递与各种耗散的竞争过程中产生的不同形态的波特征;当活塞驱动位移幅值400μm时,指数型管内压力振幅增长速度明显下降。     

基于行波声场的热声斯特林混合型热机

文中介绍了一种新型的、工作于行波声场的热声斯特林混合型热机.考虑到振荡圈内两种形式的声流-Gedeon流和Raileigh流,解释了它们出现的原因及从结构上消除它们的方法.为了产生行波声场和形成高声阻抗,从热声网络的观点建立了系统的简化模型.提出了进一步研究的方向及思路.     

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。     

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。     

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。     

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.     

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.     

热驱动室温行波热声制冷机的实验研究

本文报道了热声驱动的室温行波热声制冷机的实验研究。以氦气为工质研究了平均充气压力、工作频率等参数对制冷性能的影响。实验达到的最好结果为:最低温度为-47℃,在-20℃的制冷量为80W,按输入制冷机的P-V功计算,相应的制冷系数COP达到1.6左右。     

以CO_2为工质的行波热声发动机研究

工质对热声发动机的性能有重要的影响.为了进一步增加热声发动机的压力振幅,降低其频率,本文在行波热声发动机中采用CO_2作工质,对采用N_2和CO_2作工质的热声发动机内部声场、压力特性和频率特性进行理论预测,并开展了一系列实验研究.实验结果和理论结果比较吻合,采用CO_2在行波热声发动机中获得1.3的最大压比,对应的压力振幅为0.222 MPa,工作频率降低到18 Hz附近.与N_2相比,采用CO_2提高了行波热声发动机压力振幅的性能.     

结构参数对气液相变热声发动机性能的影响

本文基于包含流动和传热两个方面的电路类比理论,针对一具有环路结构的气液相变热声发动机系统进行了模拟计算和分析。重点讨论了排出器、动力活塞、反馈管以及负载液柱的直径和长度对于系统谐振频率和换热器驱动温度梯度的影响。结果显示,该气液相变热声发动机的谐振频率较低(小于1 Hz),排出器和动力活塞的直径,以及反馈管的直径和长度对于谐振频率的影响较大;气液相变热声发动机所需驱动温度梯度比通常气体工质热声发动机小一到两个数量级,各主要部件的直径对气液相变热声发动机所需驱动温度梯度的影响比长度对其影响更为显著。     

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。