回热器的热声直流模型及其应用研究

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、回热器温度分布及其性能的影响     

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。     

热声回热器结构频率的数值研究

介绍了声波在结构中的几种表现形式,综合考虑结构声传播过程中的色散现象会影响结构和流体的声耦合,将结构声理论运用于热声系统回热器内结构振动的分析。通过采用Ansys软件对回热器中薄板建立模型并分析其振动模态。结果显示:(1)回热器中薄板结构主要受弯曲波作用,振动时发生弯曲变形;(2)薄板振动模态的固有频率随板厚度减小而降低,随长度减小而增加;(3)薄板振动模态随阶数升高而趋于复杂,相应的固有频率值由数十赫兹发展到数千赫兹,包含热声系统谐振频率的工作区间。     

脉冲管制冷机中4K回热器的数值模拟

为了研究液氦温区脉冲管制冷机的性能,本文对脉冲管制冷机中4 K回热器进行了数值模拟分析,建立了包括压缩腔、高温换热器、回热器、低温换热器和膨胀腔等五个区域的数理模型,同时考虑了~4He的非理想性以及钬铜体积热容随温度变化的影响;对4 K回热器的传热与交变流动过程进行了数值模拟,并分析了回热器中总能流、声功流、体积流率分布、相位的分布和温度分布。计算结果显示,系统在运行频率5 Hz,压缩腔入口压比1.37,输入声功8.14 W的情况下,理论预测在4.2 K时制冷量为0.27 W,考虑膨胀活塞回收的声功后相对卡诺效率为20.6%。     

直线电机驱动回热器性能研究

本文提出并搭建了一种采用直线电机驱动的回热器热声转换实验台,通过调节负载阻抗改变回热器处声场条件,研究回热器在不同声场下热声转换特性。文中首先对实验系统进行了数值模拟,结果表明,回热器存在最优的工作声场,但由于有限水力半径因素,最优声场会偏离行波相位。计算中系统获得了最大1300 W净输出声功,热声效率达到35%。之后进行的实验实现了回热器处声场的调节,验证了回热器的声功放大作用,并获得了与数值计算相同的趋势。     

液氮温区混合回热器斯特林制冷机数值模拟研究

自由活塞斯特林制冷机具有温区广、制冷效率高、结构紧凑、振动小以及寿命长的特点。回热器作为制冷机的核心部件,决定着制冷机的性能。为了提高液氮温区斯特林制冷机的效率,本文提出采用卷绕聚酯酰胺(简称PI)薄膜和不锈钢丝网混合填充的回热器,并对该混合回热器进行了数值模拟研究。首先分析了液氮温区混合回热器的填充参数,接着设计制冷机的尺寸参数并建立制冷机整机的数值模型,最终揭示回热器长度、两种填料填充比以及相位特性对混合回热器制冷性能的影响,并将混合回热器与单一填料回热器进行对比。结果表明,混合回热器在液氮温区具有明显优势,在混合回热器长度为8 cm、卷绕PI薄膜和不锈钢丝网混合填充比例为7:1、排出活塞领先动力活塞60°时获得最佳制冷性能。室温300 K、输入声功为451 W,在77 K获到58.1 W的制冷量,声功计的相对卡诺效率为37.26%,比单一填充卷绕PI薄膜和层叠不锈钢丝网的回热器分别高了6.26%和17.33%。     

热声回热器流动、传热新模型及其性能的实验表征

提出了可压缩流体交变流动下回热器的新模型,利用所得的热声热粘函数fk、fì的一般简化式,获得影响回热器特性的普遍关联式.根据回热器内流场与温度场分布相似的假设条件,通过简单的双传感器测量方法,得到回热器内的小Reù下的流动阻力对流换热系数.     

行波热声发动机的优化设计

对行波热声发动机进行了优化设计 ;对回热器内部的功的损失和回热器的热漏损失进行了分析 ;给出了行波热声热机回热器的优化结构 ;对于设计行波型热声发动机有非常重要的理论指导意义。     

热声系统中回热器特征阻抗与传播常数的研究

针对本实验室一台声驱动热声系统,采用传递函数法研究声驱动系统中回热器的特征阻抗和传播常数.通过调节谐振管长度,改变回热器表面的阻抗,从理论上分析了回热器网络传输方程中的声传播常数、特征阻抗与系统网络元件中的阻抗、导纳和流的关系.并且进一步讨论有无换热器以及不同的加热功率对回热器网络参数的影响.结论有利于进一步量化回热器的网络参数.     

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。     

Acoustic streaming in closed thermoacoustic devices.

A derivation of acoustic streaming in a steady-state thermoacoustic device is presented in the case of zero second-order time-averaged mass flux across the resonator section (nonlooped device). This yields analytical expressions for the time-independent second-order velocity, pressure gradient, and time-averaged mass flux in a fluid supporting a temperature gradient and confined between widely to closely separated solid boundaries, both in the parallel plate and in the cylindrical tube geometries (two-dimensional problem). From this, streaming can be evaluated in a thermoacoustic stack, regenerator, pulse tube, main resonator of a thermoacoustic device, or in any closed tube that supports a mean temperature gradient, providing only that the acoustic pressure, the longitudinal derivative of the pressure, and the mean temperature variation are known.     

同轴型行波热声热机的实验研究

自行设计搭建了国际首台同轴型行波热声热机的实验装置 ,以氮气为工质 ,获得频率为1 3 7Hz的谐振声波。回热器热端温度达到 2 0 0℃左右时 ,热声热机开始起振 ,平均振幅 0 .1 4bar     

行波型热声发动机起振温差的研究

热声机械作为一种新型的能量转化装置 ,讨论其起振温差对于利用低品位能源具有非常重要的意义。文中讨论了行波型热声发动机起振温差的计算方法 ,得到了回热器结构、工作介质、丝网、频率等对起振温差的影响规律     

渐变截面热声波导管内的声流解析模型

建立了二维渐变截面热声波导管内的声流模型,分别考虑了封闭直管和环形回路两种不同结构,获得了更为普适的解析结果。封闭直管结构的声流结果可应用于任意宽度的波导管,环路结构的结果考虑了渐变截面管段宽度远大于热、黏穿透深度的情形。研究结果表明,渐变截面热声波导管内的声流主要受声场结构、截面变化及轴向时均温度分布的影响,在其它参量不变时声流量值及分布随波导管特征尺度的不同而变化。该解析模型可应用于热声及其它物理背景下的声流分析。      

Synthetical optimization of the structure dimension for the thermoacoustic regenerator

The quantitative investigation of parameters in the renegerator is essential for the optimization of thermoacoustic devices, while the majority of the previous research only considered parameters of the working field, working gas and the hydraulic radius. Based on the linear thermoacoustic theory, this paper extracts a normalized parameter for low-amplitude conditions, which is called the regenerator operation factor. By extracting the regenerator operation factor and relative hydraulic radius, the influence of frequency on the efficiency can be controlled and offset. It can be found that thermoacoustic devices with different frequencies can perform the same efficiency by adjusting the radius in proportion to the axial length. Finally, this paper synthetically optimizes the dimension of the thermoacoustic regenerator by taking the regenerator operation factor, relative hydraulic radius and acoustic field parameter as variables. Conclusions in this paper are of great significance for explaining the best working conditions of engines and directing the miniaturization and optimal design of thermoacoustic devices.     

Open cycle traveling wave thermoacoustics: mean temperature difference at the regenerator interface

In an open cycle traveling wave thermoacoustic engine, the hot heat exchanger is replaced by a steady flow of hot gas into the regenerator to provide the thermal energy input to the engine. The steady-state operation of such a device requires that a potentially large mean temperature difference exist between the incoming gas and the solid material at the regenerator's hot side, due in part to isentropic gas oscillations in the open space adjacent to the regenerator. The magnitude of this temperature difference will have a significant effect on the efficiencies of these open cycle devices. To help assess the feasibility of such thermoacoustic engines, a numerical model is developed that predicts the dependence of the mean temperature difference upon the important design and operating parameters of the open cycle thermoacoustic engine, including the acoustic pressure, mean mass flow rate, acoustic phase angles, and conductive heat loss. Using this model, it is also shown that the temperature difference at the regenerator interface is approximately proportional to the sum of the acoustic power output and the conductive heat loss at this location.