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。     

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。     

负载对热声发动机性能的影响

热声发动机作为一种完全没有运动部件的能量转化和传输机械具有广阔的应用前景.为了提高热声发动机的驱动性能,本文采用变负载法对热声发动机性能的影响因素进行了实验研究.实验结果表明,负载的阻力和容抗对热声发动机的加热温度、压比和声功引出有重要影响.同时,实验中还发现了能够使热声发动机瞬时消振和起振的实验方法,将极大方便对热声发动机的开关控制.     

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。     

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.     

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.     

燃气和电驱动热声发动机的对比研究

热声发动机利用热声效应把热能高效转化为声功,系统中不存在任何机械运动部件,应用前景光明.热声发动机的一个突出优点是直接采用热能驱动,可以提高低温位热能的品位.在原有电驱动热声发动机的基础上,制作了一台燃气驱动行波热声发动机,以氮气为工质,充气压力为1.2 MPa时,获得了1.34的最大压比.对电驱动和燃气驱动两种加热方式作了对比研究,得到了燃气驱动条件下热声发动机的起振状态、加热功率和直流抑制的规律.     

热声发动机核心单元热功转换性能的研究

最近我们研究小组提出了一种声学共振行波热声发电机,它由三个相同的热声发动机核心单元,三台直线电机通过细长的谐振管连接起来。为了考察单个热声发动机核心单元的热功转换性能,我们搭建了热声发动机核心单元热功转换性能测试实验台。该实验台由两台压缩电机,热声发动机核心单元和两台膨胀电机组成。通过改变膨胀电机的电容和电阻,可以改变膨胀电机的阻抗,从而改变热声发动机核心单元的热功转换性能。经过模拟,我们确定了核心单元最佳工作阻抗范围.实验中当负载阻抗幅值为1.19×10~7 Pa·s/m~3,相位为60°时,获得最高净声功1046W和最高热声效率25.52%。由于热声发动机核心单元的漏热,实验结果和模拟结果在热声效率上相差较大。     

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。     

行波和驻波模式下热声振荡的临界温度梯度

热声机械作为一种能量转化装置。其效率于传统发动机还有较大差距。本文讨论了热声发动机在驻波和行波两种不同工作状态下,其声功率产生的临界温度梯度与流道尺寸和工作介质的关系,得出了两种模式下最佳的工作条件。结果表明;采用行波形式的热声发动机结构,可以有效降低临界温度梯度,提高热致声的效率,同时可以利用一些低品位来做为热声发动机的高温端。     

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。     

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。     

基于传递矩阵法的热声发动机频率设计计算

介绍利用传递矩阵法计算热声发动机的工作频率的思路和方法。理论分析表明该方法是切实可行的 ,和其他方法得到了相互的印证。利用该方法的计算结果和已发表的试验结果进行了对比分析。研究结果表明 ,相比已有的计算方法而言 ,传递矩阵法更加简单直观 ,方便于采用计算机编程计算复杂结构的热声系统的工作频率。     

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     

行波热声发动机驱动制冷机的匹配研究

本文使用RC负载法首先在不同压比下对发动机的输出声功与负载之间的匹配关系进行了深入研究,研究表明发动机存在高效区和效率低下区.针对行波热声制冷机的阻抗进行了分析,发现由于制冷机阻抗处于发动机的效率低下区,使得发动机输出效率很低,从而导致整机效率低下,其中在发动机和制冷机之间的1m长连接管起到了调节负载阻抗和放大声压的作用,但其调节作用有限.     

串级热声发动机的机理分析及数值模拟

简要综述了热声发动机的发展历程,把三种典型的发动机形式作了比较分析,在此基础上,对国际上最近提出的串级型发动机进行了定性讨论,并结合一定的几何结构,运用线性热声理论对该类型热声机进行了数值模拟。     

热声驱动脉管制冷机系统的效率评价

采用热声压缩机驱动脉管制冷机将完全消除系统的机械运动部件 ,大大提高了运行的可靠性。随着热声驱动脉管制冷机研究的不断深入 ,人们迫切需要能真实反映系统效率的评价标准 ,文中给出三种评价方法 :(1 )系统的总效率 ;(2 )系统的相对卡诺效率 ;(3)系统的火用效率。建议采用火用效率对系统效率进行综合评价 ,这对系统的性能改善以及实用化研究具有一定的参考价值