非线性热声理论的研究进展

主要总结了热声系统中的非线性热声现象,指出了线性热声理论的不足,回顾了近十年来国内外热声工作者为解释这些非线性现象所做的理论探索,对其发展方向进行了展望.     

二阶非线性热声理论模型研究

基于流体力学基本原理建立了热声系统的二维二阶理论模型,分析了由于系统中二阶物理量的存在所引发的非线性效应,讨论了热声系统中几个物理量由于非线性效应所带来的变化。最后,通过对该理论模型中流场方程的封闭性研究,简单分析了进行数值模拟计算的可行性。     

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。     

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。     

新型热声发动机(制冷机)的研究与探索

文中通过分析热声系统的边界条件 ,以及热声系统中工质的声速对整个系统共振频率的影响 ,提出了两套降低系统共振频率 ,减小系统尺寸的方案 ,从而就理论上解决了这一热声领域的难题 ,为热声机的小型化、实用化提供了坚实的理论基础。该理论的计算结果与现有的实验结果相当吻合。     

降低热声发动机(制冷机)共振频率的新方法探索

文中通过分析热声系统边界条件,以及热声系统中工质的声速对整个系统共振频率的影响,提出了两套降低系统共振频率,减小系统尺寸的方案,就理论上解决了这一热声领域的难题,为热声机的小型化,实用化提供了坚实的理论基础。     

热声制冷机声场中非线性效应

热声制冷的基本原理是热声效应,但热声效应一般只在高声强下发生,随之将产生强烈的非线性效应.本文在自行研制的热声制冷机试验台上,研究了板叠对声场非线性的影响以及非线性对热声系统性能的影响.结果表明,板叠的存在使得声波明显衰减,压比约减小5%,并且各次谐波的幅值和增长速率较无板叠时均有所降低;非线性效应限制了基波的增长,导致了高次谐波产生,且基波和高次谐波的增长均有发展为饱和的趋势.板叠的存在产生明显的声制冷效果,制冷温度随驱动功率增大先增加后减小.在50 W时达到最低温度5.1℃.     

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。     

新型液氦温区热声驱动制冷系统研究

提出一种采用气液耦合谐振子的新型热声驱动制冷系统,理论上首次实现液氦温区制冷。模拟结果显示,系统最低无负荷制冷温度达到5.9 K,为目前热声制冷系统的最低记录。本文首先基于数值模拟优化了新型热声制冷系统结构参数;然后,分别揭示了系统内部关键参数的沿程分布以及热力学性能的影响规律。本研究填补了热声制冷技术应用于液氦温区的空白,有望为航天、低温电子器件及氢能源利用等领域中的新型热驱动制冷机奠定理论基础。     

回热器的热声直流模型及其效应研究

本文由基本的守恒方程出发,获得了能描述回热器存在声直流时的非线性动力学模型及由此而导致的非线性时均热力学效应。根据所得到的模型,考察了声直流对临界声功产生率温度梯度、回热器温度分布以及脉冲管制冷性能的影响。     

热声致冷效应演示实验

基于热声致冷原理,利用自制的热声堆,采用常见的材料和仪器,设计了扬声器驱动热声致冷实验演示装置.以空气作工质,在无冷却措施的情况下,系统运行200 s后,实现了13℃的降温及25℃的温跨.     

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。     

Nonlinear impedances of thermoacoustic stacks with ordered and disordered structures

Nonlinear impedances of two thermoacoustic stacks with ordered structures （plate-type and pipe-type） and one with a disordered structure （copper mesh） are studied. The linear resistances, nonlinear coefficients and effective acoustic masses of the stacks are extracted from the experimental results based on an analogical model of nonlinear impedances of porous materials. The resistance and nonlinear coefficient of the disordered stack are found to be much larger than those of the ordered stacks, which have similar volume porosities. In the ordered stacks, the resistance is only marginally influenced by the length of the stack, while in the disordered stack, the resistance increases significantly with the length. These charac- teristics of the impedances of ordered and disordered stacks are explained with the minor loss theory and the tortuosity of a stack.     

Rijke管热声振荡的稳定性切换行为研究

采用数值方法模拟了强弱两种阻尼条件下传热迟滞时间对一维Rijke管热声系统稳定性的影响,发现Rijke管系统存在稳定性切换现象.在推导了无量纲形式的管内声波动量方程和能量方程之后,利用Galerkin方法对控制方程进行展开并在时间域内数值求解.分析了强阻尼和弱阻尼条件下,给定热源的Rijke管热声振荡的稳定性与传热迟滞时间的关系.结果显示:在两类阻尼条件下,持续增大传热与速度的迟滞时间,系统均呈现出稳定性切换现象,即系统在稳定和不稳定两个状态间持续转变;但弱阻尼系统的不稳定区域宽于强阻尼系统的不稳定区域,系统最大振幅相对增大,且系统热声振荡的主模态在不同模态之间发生转换.最后,通过求解系统各阶模态极限环幅值随传热迟滞时间的变化,发现Rijke管热声振荡稳定性切换现象与迟滞时间存在近似周期性关系.     

热声交变流动中浮力效应理论分析

热声交变流动是热声热机的工作基础,研究交变流动机理有助于人们认识热声热机的工作过程。鉴于前人的理论分析一般没有考虑浮力效应的影响,本文从流体热动力学的角度研究了浮力对流与热声交变流动的耦合规律。基于线性理论方法,给出了考虑浮力项和热对流Rayleigh数的热声线性理论模型,分析了浮力效应对平行交变流动的影响,发现热对流...     

行波型热声热机的研究进展

Ceperley首先提出了行波型热声热机的概念 ,此后许多研究者对此类型的热机进行了理论及实验研究。文中对行波型热声热机的发展历史、研究现状及应用前景进行了简要介绍     

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.