声学双作用型行波热声发动机的损失分析

本文根据经典热声学理论,对声学双作用型行波热声发动机系统进行了全面的损失分析。系统产生的损失可以分为内部不可逆损失与外部不可逆损失,其中内部损失可区分为:轴向漏热损失,流体黏性损失,不可逆传热损失与流动传热耦合损失。本文对一台效率为55.7%的声学双作用型行波热声发动机进行了具体的媚损失分析,结果显示,回热器与谐振管是产生损失最多的部件。谐振管中的损失主要是流动损失,而回热器中的流动损失则相对较少。     

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。     

行波热声发动机声功输出特性研究

行波热声发动机具有效率高、可靠性好及环保等优点.本文分别以氮气和氦气为工质研究了行波热声发动机的声功输出特性.在平均压力为3.0MPa,输入功率为3000W时,氮气为工质获得最大492.3W输出声功,氦气为工质获得最大691.3W的声功.此外还针对两种不同锥度的锥形谐振管发动机的声功输出特性进行了对比研究.研究表明:设计合理的谐振管一方面能够有效降低加热温度,有利于利用低品位热源;另一方面还能有效地降低损失,在相同的加热量下具有更高的压比、更大的输出声功及效率.     

热声谐振管品质因数的实验研究

回热器中填充了玻璃丝绵,在声驱动的热声谐振管中发生共振,通过测量谐振频率,分析热声谐振管的频率特性,辨识谐振管的品质因数,其测量结果能与理论计算值较好的吻合。实验证实,品质因数是评价热声谐振管工作性能的重要参数。     

带阻性管的环路行波热声发动机性能研究

高效的行波热声发动机要求回热器处在接近行波和高声阻抗的声场。为此,本文拟采用阻性管进行调相,设计了一台单级环路行波热声发动机,分别以He,N2和CO2为工质,对该热声发动机的起振特性和稳态运行工况进行了系统的实验研究。结果表明,安装阻性管后,单级环路行波热声发动机的起振温度可以被降低300℃以上,最低起振温度仅为55C(工质为CO2,平均压力为2.35 MPa)。此外,系统可以在200℃以下的加热温度达到比较可观的压比。可见,阻性管可以作为环路行波热声发动机的一种有效调相方式,本文所提出的热声发动机系统具有利用低品位热源驱动的潜力。     

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。     

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。     

行波型热声驱动器的实验研究

热声驱动器是利用热声效应把热能转化为声能的动力装置,因其不含运动部件,具有结构简单和运行可靠等优点而倍受关注。本文研究的新型行波型热声驱动器在效率方面比驻波型热声驱动器有很大的提高。在简要回顾行波型热声驱动器的发展历史之后,详细介绍了一实验系统的结构和设计情况,并在研制成的实验装置上开展了初步的实验研究,成功获得了热声振荡,以氦气和氮气为工质,得到频率分别为66Hz和23Hz的压力振荡。此外,还考察了压力振幅受加热功率和加热温度的影响,以及安装喷射泵前后的对比实验情况。     

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。     

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。     

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。     

1kW碟式太阳能行波热声发电系统

碟式太阳能行波热声发电是近年来兴起的新型热发电技术,具有可靠性好、潜在效率高、分布灵活等优点。本文介绍了正在研制的一套1 kW碟式太阳能行波热声发电系统。该系统利用碟式集热器收集太阳辐射热量,通过高温热管将热量传输到发动机热端,再采用行波热声发电机进行热-电转换。初步调试采用高频加热模拟太阳能,以3.5 MPa氦气为工质、加热温度为751℃和798℃时分别实现了116 W和255 W的电功输出。实验验证了系统的可行性。目前系统的安装调试仍在进行中,相关的实验结果将在后续的文章中进行报道。     

四分之一波长锥形谐振管共振频率的研究

在热声发动机系统中,谐振管用来调节系统的超振频率.通常的四分之一波长谐振管由一段谐振管后面连接一个比较大的气体容积构成,与二分之一波长谐振管相比,在相同的起振频率下前者可以有相对短的管长.锥形谐振管除了调节频率外,还可以提高热声发动机输出压力波的压比.本文通过数值计算软件Fluent6.0中的K-ε湍流模型模拟了不同长度、不同的进出口直径的一系列锥形谐振管,得出了近似四分之一波长锥形谐振管的共振频率与其长度、锥度之间的关系,并初步与实验进行了对照.     

行波热声发动机容腔管和反馈管的调相作用研究

带环形圈的热声发动机是一种新型的行波型热声发动机,由于能够在环形圈内回热器附近调制出行波相位,因此具有比驻波发动机更高的效率。环形圈的反馈管和180度弯管分别在系统中起着感和容的作用,在相位的调制过程中它们起着至关重要的作用,尤其是对于感的作用比较强的小型系统,它们的作用更加突出。该文通过计算,分析了小型行波热声系统中感和容对于回热器入口处和回热器中心位置处的压力波动和体积流率相位的调制作用,以及这种调制作用对于效率,压力波动的幅值的影响。     

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。     

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.     

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。     

热声发动机的优化计算设计

把改进的12-Bit格子气模型用于复杂边界的热声发动机的模拟研究,成功模拟了带共振腔的驻波管中热声振荡演化过程。对热声板叠的长度、热声板叠在共振管中的位置以及共振腔的几何大小对热声振荡振幅的影响进行了数值计算。计算结果显示,当共振腔与细管的宽度比为2.2,板叠位置相对于细管长为0.34时,驻波管中热声振荡振幅达到最大。共振腔尺寸的研究,对于热声发动机性能的的优化设计有指导意义。     

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。     

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