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。     

太阳能热声发动机的设计与性能仿真

太阳能聚焦集热器与热声发动机的结合能够成为一种新型的具有广阔应用前景的动力系统,本文建设完成了太阳能驱动热声发动机并对热声发动机性能进行了仿真研究.基于Simulink开发了双轴自动跟踪太阳能集热器的性能仿真程序,并基于自行测量的太阳辐射数据对聚焦式太阳能集热器的热力性能进行了仿真计算.利用太阳能集热器仿真程序的计算结果与热声仿真程序Deltae进行耦合计算,对已经建设完成的太阳能热声发动机的热力性能进行了仿真模拟.仿真结果对于后续实验工作提供了参考依据.     

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.     

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.     

气体工质对气液热声发动机性能的影响

本文针对一台气液耦合振动热声发动机,以1．5kg的水作为液柱,以氮气、氦气、氩气和二氧化碳分别作为气体工质,在2．0MPa平均工作压力下,实验对比了不同气体工质对谐振频率、压力振幅和板叠热端温度等系统性能参数的影响。实验结果表明,在相同加热功率下,采用氩气的系统获得的压力振幅最大;而在相同板叠热端温度下,以二氧化碳为气...     

高频热声斯特林发动机的实验研究

高频热声斯特林发动机具有体积小,热效率高和无机械运动部件等特点,是驱动脉冲管制冷机等回热式制冷机的理想的压力波发生器.本文设计并研制了一高频热声斯特林发动机系统,实验研究了系统布置方位和工作介质对发动机性能的影响.实验结果发现布置方位对起振温度的影响较大,对稳定振荡的波动压力振幅和加热温度影响较小.采用氦气、氮气、氩气和二氧化碳作为工质,工作频率分别是314 Hz、108 Hz、98 Hz和76 Hz时,其压比分别达到了1.17、1.23、1.22和1.24.     

热声谐振管的实验研究

本文主要介绍作者热声谐振管研制方面的工作，作者成功地研制了热声谐振实验装置系统。     

演示用Sondhauss管的研制及理论分析

介绍了演示用 Sondhauss管的结构与制作过程 ,它具有直观、简单、成本低等突出优点 ,是一种比较理想的热声效应演示器件。通过初步实验 ,文中对热声管发声机制进行了理论分析 ,有助于更好地理解热声效应 ,并为进一步研究热声机理奠定了基础     

混合工质热声发动机热力特性的试验研究

在自行研制的"驻波型热声发动机试验平台"上,对采用He/Ar混合工质的驻波热声发动机系统的热力特性进行了详细的试验研究.试验结果表明:采用混合工质可以有效地提高热声发动机的热力性能,当氦氩配比为4:1时,系统压比较纯质提高50%以上;另外,采用混合工质可以明显地降低系统的起振温度与消振温度,当氦氩配比在30%～50%之间时,起振温度和消振温度平均较纯质降低50℃和40℃左右,尤其是较低的起振温度意味着可直接利用低品位热量作为驱动热源,从而扩宽了热声发动机的适用范围.     

氦-氩混合工质热声发动机的频率特性

为提高热声发动机的热力性能,采用氦-氩混合工质对一台驻波型热声发动机进行了无负荷工况的试验研究.氦氩配比为0:1,0.2:0.8,0.4:0.6,0.6:0.4,0.8:0.2和1:0 6种情况,充填压力为0.7,0.9,1.1,1.3 MPa和1.5 MPa 5种情况.试验结果表明,随着混合工质中Ar含量的增加,系统谐振频率会从140 Hz降低到44 Hz.同时,加热端温度对谐振频率的影响减小,而大振幅下的二次频成分出现的规律及强度与工质配比关系不大.在氦气中加入20%的氩能够得到最好的系统性能,系统的振幅和压比较纯氦分别能够提升19%和15%.     

热声发动机热缓冲管损失的实验研究

热缓冲管是热声发动机的关键部件之一,位于高温换热器和次室温换热器之间,理想情况下可避免在高温换热器附近往复运动的气体接触室温环境,造成热量损失。不过由于换热器流道的特殊结构,使热缓冲管两端会产生射流等现象,带来流动紊乱、热量损失等问题。本文设计并搭建了研究热缓冲管损失的实验平台,主要考查在热缓冲管两端分别添加不同层流化丝网对系统性能的影响。实验结果表明,未添加层流化丝网会使热量损失急剧增大,热声效率大幅下降;而过多添加层流化丝网会使阻力损失增大,同样降低热声效率;当两端分别添加3片层流化丝网时,所需加热量最少,热声转换效率最高。     

改进型驻波热声发动机的实验研究

压比是热声发动机性能的一个重要衡量参数。驻波发动机由于自身热力过程的不可逆性,使得目前所能获得的压比通常都比较低。笔者认为除了发动机各部件的尺寸参数之外,换热器的换热性能也是影响发动机压比的一个重要参数。因此本文对驻波热声发动机的换热器进行了改进设计,增强了加热器与工作介质的换热效果,系统的工作压比有了较大的提高。采用氦气、氮气和二氧化碳作为工质,其压比分别达到了1.15、1.22和1.215。     

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。     

非平行板叠驻波型热声发动机热力性能研究

热声发动机板叠两端存在较大的温度梯度,导致沿板叠轴向的热渗透深度出现严重的不均一性,影响到热声转换效应的发挥。本文提出了板叠结构形式与温度梯度相一致的结构设计理念,并构建了非平行板叠结构的驻波型热声发动机数理模型。针对不同板叠锥角热声发动机的热力性能展开了深入研究和对比分析,得出板叠锥角对热声发动机频率、压比、压力振幅和体积流率等热力参数的影响关系。结果表明:与平行板叠结构相比,当选取合适锥角时,渐缩和渐扩式板叠结构均可提高热声系统的性能,在1°和-2.81°时系统的最大声功流分别提高了103.9%和88.8%。研究结果为进一步改善热声热机性能提供理论支撑。     

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。     

400W行波热声发电系统的实验研究

本文阐述了为太阳能发电系统设计的400 W行波热声发电系统(TWTAEG)的实验研究过程.实验系统由行波热声发动机和直线发电机组成,系统采用平均压力为3.5 MPa的氦-氩混合气体为工质,其中氩气分压比为1.4%,系统运行频率为74Hz.实验中最大输出电功为446 W,此时的热电效率为13%;在输出电功为416 W时热...     

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。     

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。     

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.