热声起振机理的研究进展

主要总结了近年来国内外热声起振机理的研究进展,重点介绍了热声起振机理的理论研究、数值模拟以及实验研究;同时指出了当前所开展研究的不足。最后讨论了热声起振机理研究亟需解决的问题以及深入研究的方向。     

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。     

热声起振现象的模拟研究

热声现象中广泛存在非线性效应,其中最典型的就是热声自激起振.本文建立了一个四分之三波长的Rijke管计算模型,基于并行计算,采用数值模拟对其起振现象进行了模拟.研究了不同初场对起振行为的影响,得出起振后的气体振荡频率,并对管内的流动与换热规律进行了详尽分析.模拟结果与文献结果相吻合.本文工作有助于更多地了解热声起振现象,同时也为我们开展热声问题的介观模拟提供了有力的参考.     

热声发动机起振、消振过程的动态行为

针对热声发动机中复杂的起振、消振行为,在自行研制的"驻波型热声发动机试验平台"上,开展了工质类型、加热功率、充气压力等参数对热声发动机起振、消振行为的影响规律研究.试验结果表明:当采用纯氦气和90%氦气+10%氩气的混合气体时,系统存在一最佳的充气压力值,使起振温度和消振温度达到最低;而其余工质,其起振温度与消振温度均随着充气压力增加而逐渐提高;与此同时,由于加热功率对板叠热端温度影响较小,故采用板叠热端温度作为行为特性参数更为合理.     

热自然对流对热声起振行为的研究

主要研究热自然对流对热声发动机系统的影响。通过一系列的实验 ,发现热声发动机空间位置的变化对行波型热声机的起振温度、回热器的温度分布等重要参数有着相当大的影响。作者通过分析 ,对该现象进行了定性的解释。     

容腔调相的单级行波热声发动机起振特性

将容腔结构引入单级环路行波热声发动机系统中进行相位调节,分析了不同容腔位置、容腔内径和容腔长度时系统的起振特性。基于线性热声理论,采用网格传输矩阵数值方法求解系统的起振频率和起振温差;此外,将计算结果与实验结果进行了对比,验证了计算方法的合理性。结果表明:容腔结构可以明显改善系统的起振特性,系统起振温差大幅下降;不同容腔位置处,热机起振特性差异明显;存在最优的容腔内径和容腔长度组合,使得起振温差最低,而容腔尺寸对热机起振频率的影响较小。     

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     

热声发动机起消振过程中压比演化规律研究

实验研究了热声发动机起振过程中典型的非线性现象,即双阈起消振现象。实验结果表明,充气压力以及加热功率对于双阈起振现象有着明显的影响,而双阈消振现象则主要由充气压力和消振时刻系统压力振幅决定。该研究有助于增进对热声振荡现象的进一步理解与认识。     

热声热机起振过程中回热器内气体的温度分布

文中研究了驻波型热声发动机回热器内的气体,研究时段为从加热到起振前的过程,对气体在此时段内建立数学模型并加以分析。通过求解该模型,得出了回热器内不同时间和位置点的温度变化,其计算结果与实验数据相吻合。最后对模型简化导致的误差进行了分析修正。     

热声发动机起振过程系统温度时序特性

针对热声发动机起振过程中复杂的温度变化,在自行研制的"驻波型热声发动机试验平台"上,开展了在不同的工质类型、充气压力等试验工况下,热声发动机起振过程的轴向温度分布规律和变化特征的试验研究,试验结果表明:对于氮气、氩气而言,其系统温度动态特性规律基本一致,且热声核温度梯度和热声板叠温度梯度存在较明显的差别;而对于氦气,其系统温度动态特性不同于前两类气体,且热声核的温度梯度和热声板叠温度梯度的差别十分微弱,可见,不同的工质类型将直接影响到发动机起振过程系统温度的动态变化特性.     

Theoretical and experimental investigation of onset characteristics of standing-wave thermoacoustic engines based on thermodynamic analysis

A simplified physical model for calculating the onset temperature ratio and the frequency of a standing wave thermoacoustic engine (SWTE) in the time domain is built based on thermodynamic analysis. Coefficients of transient pressure drop and heat transfer are first deduced from linear thermoacoustic theory. By numerical computation, the evolutions of the pressure amplitude and the spectrum characteristics during the onset process are presented. Furthermore, the effects of stack spacing, charge pressure, and resonator length on the onset temperature ratio and the frequency are calculated. Relatively good agreement between the computational and the experimental results has been achieved, which validates the model for calculating the onset characteristics.     

热声转换的声表面波电压传感机制

提出了一种基于热声转换的高灵敏声表面波(SAW)电压传感机制并开展实验验证。从传热角度以及微扰理论出发建立了基于热声转换机制的SAW电压传感理论模型,探索了结构参数以及环境因素对SAW电压传感器灵敏度的影响规律。为了验证理论模型,在Y切石英基底上同芯片集成设计MEMS微型加热器与200MHz声表面波器件以制备SAW电压传感器件,并搭建电压测试平台对传感器件开展性能测试。实验结果表明所制备的SAW传感器件电压与频率响应之间具有二次线性关系且在室温(20゜C)下具有与理论相近的电压灵敏度(22.4kHz/V),此外实验获得的环境温度对电压灵敏度的影响规律与理论相符。基于热声转换机制的SAW电压传感器能够显著的提高电压检测灵敏度。     

An experimental investigation of the propagation mechanism of critical deflagration waves that lead to the onset of detonation

The reflection of a CJ detonation from a perforated plate is used to generate high speed deflagrations downstream in order to investigate the critical conditions that lead to the onset of detonation. Different perforated plates were used to control the turbulence in the downstream deflagration waves. Streak Schlieren photography, ionization probes and pressure transducers are used to monitor the flow field and the transition to detonation. Stoichiometric mixtures of acetylene–oxygen and propane–oxygen were tested at low initial pressures. In some cases, acetylene–oxygen was diluted with 80% argon in order to render the mixture more “stable” (i.e., more regular detonation cell structure). The results show that prior to successful detonation initiation, a deflagration is formed that propagates at about half the CJ detonation velocity of the mixture. This “critical” deflagration (which propagates at a relatively constant velocity for a certain duration prior to the onset of detonation) is comprised of a leading shock wave followed by an extended turbulent reaction zone. The critical deflagration speed is not dependent on the turbulence characteristics of the perforated plate but rather on the energetics of the mixture like a CJ detonation (i.e., the deflagration front is driven by the expansion of the combustion products). Hence, the critical deflagration is identified as a CJ deflagration. The high intensity turbulence that is required to sustain its propagation is maintained via chemical instabilities in the reaction zone due to the coupling of pressure fluctuations with the energy release. Therefore, in “unstable” mixtures, critical deflagrations can be supported for long durations, whereas in “stable” mixtures, deflagrations decay as the initial plate generated turbulence decays. The eventual onset of detonation is postulated to be a result of the amplification of pressure waves (i.e., turbulence) that leads to the formation of local explosion centers via the SWACER mechanism during the pre-detonation period.     

位阻效应对受阻酚杂化体系阻尼机理的影响

针对尚未解决的受阻酚结构变化与杂化体系阻尼机理间关系的问题,本文采用分子动力学模拟方法构建了三种受阻程度不同的受阻酚/聚合物杂化体系,从理论上探讨了位阻效应对阻尼机理的影响.对体系氢键相互作用、结合能、相对自由体积及扩散系数进行模拟分析表明,位阻效应对受阻酚分子内氢键相互作用有显著的弱化效果,可减少小分子团聚倾向,有利于小分子与聚合物分子间氢键相互作用的形成.但是,过高的位阻对小分子运动有阻碍作用,不利于小分子与聚合物形成强烈的氢键键合,也即不利于杂化体系阻尼性能的提高.因此,如何选择受阻程度适中的受阻酚是制备高阻尼杂化材料的一关键要素.     

常温核聚变研究进展评述

早在1989年芶清泉教授就以原子分子物理和晶体物理为基础提出了冷聚变机理的理论.按照此理论,在晶体中可以实现冷聚变,产生超热和聚变产物4He.在此理论提出后,我们在实验研究中观测到了以Pd或Tin为阴极电解重水过程中产生的明显的超热效应与聚变产物4He.这表明我们提出的理论预言是正确的,在过去的18年中我们进一步进行了反复深入的理论和实验研究,所得结果将在本文中进行系统总结和讨论.     

吡喃木糖热裂解机理的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论理论方法 M062X/6-311++G(d,p),对吡喃木糖的热解反应机理进行了理论计算分析.针对吡喃木糖热解可能发生的化学反应共设计了九条可能的热解路径,并对各路径中的反应物、中间体和过渡态的几何结构进行了能量梯度全优化,并在梯度全优化的基础上计算了各热解反应路径的热力学和动力学参数.文中以两大类方式来设计反应路径:1)木糖首先经过过渡态TS1发生开环反应生成链状中间体2,该步的反应能垒为188.7 kJ/mol,对于中间体2共设计了五种可能的热解反应路径;2)考虑双键同时断裂的情况,木糖先发生脱水反应,接着按C-C和C-O键同时断裂的情况发生开环反应,针于这种情况共设计了四条可能的热解路径.计算结果表明,吡喃木糖热解的主要反应产物有乙醇、乙醛、糠醛、丙酮、酸类、CO_2和CO等小分子化合物.     

吡喃木糖热裂解机理的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论理论方法M062X/6-311++G(d,p),对吡喃木糖的热解反应机理进行了理论计算分析。针对吡喃木糖热解可能发生的化学反应共设计了九条可能的热解路径,并对各路径中的反应物、中间体和过渡态的几何结构进行了能量梯度全优化,并在梯度全优化的基础上计算了各热解反应路径的热力学和动力学参数。文中以两大类方式来设计反应路径：1）木糖首先经过过渡态TS1发生开环反应生成链状中间体2,该步的反应能垒为188.7 kJ/mol,对于中间体2共设计了五种可能的热解反应路径;2）考虑双键同时断裂的情况,木糖先发生脱水反应,接着按C-C和C-O键同时断裂的情况发生开环反应,针于这种情况共设计了四条可能的热解路径。计算结果表明,吡喃木糖热解的主要反应产物有乙醇、乙醛、糠醛、丙酮、酸类、CO2和CO等小分子化合物。