扬声器驱动热声制冷机的研究进展

热声制冷技术是一项新型的制冷技术,它具有运动部件少、运行可靠、振动小、寿命长、对环境无污染等优点,在航天、超导、低温电子、低温生物等众多领域有着十分广阔的应用前景。本文阐述热声制冷效应的基本原理和热声制冷循环之后,系统介绍了热声制冷机中共振管、板毪、换热器、动力源(扬声器)等部件和制冷工质的研究情况。同时,指出了扬声器驱动热声制冷存在的问题,并对热声制冷的发展进行了展望。     

Piezo-driven thermoacoustic refrigerators with dynamic magnifiers

Thermoacoustic refrigeration is an emerging cooling technology which does not rely for in its operation on the use of any moving parts or harmful refrigerants. This technology uses acoustic waves to pump heat across a temperature gradient. The temperature gradient forms across the ends of a porous body, called the stack, enclosed in a resonator. The vast majority of thermoacoustic refrigerators to date have used electromagnetic loudspeakers to generate the acoustic input. In this paper, the design, construction, operation, and modeling of a piezo-driven thermoacoustic refrigerator are detailed. The performance of the refrigerator is significantly enhanced by coupling the acoustic driver with an elastic structure, referred to as a dynamic magnifier. Proper selection of the magnifier parameters can increase the magnitude of the pressure oscillations across the stack, and consequently the temperature difference. The magnified refrigerator demonstrates the effectiveness of piezoelectric actuation in moving 0.3 W of heat across a 10 °C temperature difference with an input power of 7 W. All the theoretical predictions are validated against data from experimental prototypes. The developed theoretical and experimental tools can serve as invaluable means for the design and testing of piezo-driven thermoacoustic refrigerator configurations.     

二阶非线性热声理论模型研究

基于流体力学基本原理建立了热声系统的二维二阶理论模型,分析了由于系统中二阶物理量的存在所引发的非线性效应,讨论了热声系统中几个物理量由于非线性效应所带来的变化。最后,通过对该理论模型中流场方程的封闭性研究,简单分析了进行数值模拟计算的可行性。     

驻波热声冷却机的研究

与压缩机制冷相比,热声制冷结构简单、可靠性高和使用寿命长。本文在正常室温(20℃)和室压(1个大气压)的工作环境下以空气为声学介质来探讨热声制冷机的设计及热声制冷效果的影响因素,并制作样机进行实验研究。研究发现:板叠长度和中心位置对热声转换效率影响较大,其数值需要理论与实验相结合来确定;以空气为声学工质,在正常室温、室压下的热声制冷机,用50W的供电驱动、90 Hz工作时可实现冷热端37℃的温差。     

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。     

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。     

热声发动机接入声学放大器的模拟研究

对带声学放大器的驻波型热声发动机进行了数值模拟。得出了系统频率、压比等参数随声学放大器尺寸的变化关系。     

热声制冷机回热器的数值研究

以驻波型热声制冷机的回热器作为研究对象,通过对二维可压缩形式的连续性方程、N-S方程、能量方程和理想气体状态方程的数值求解,得到了热声核区域内工作介质的能流密度矢量和能量迹线云图.结果表明:在轴向方向上影响能量传递的主要因素为气体的热传导项.     

应用于热声系统的声学倒相变压器

给出了一种声学调相变压结构,并理论上讨论了该结构的调相变压机理。结果表明:在一定的几何条件下,该结构能够实现不受负载影响的声压放大功能,并输出声压倒相;将该结构应用于热声热机驱动热声制冷机或脉冲管制冷机的耦合,可以取得更好的效果。     

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。     

Rijke管自激热声振荡的数值模拟

为了对热声不稳定的发生及控制机理进行研究,对Rijke管内的自激热声振荡现象进行了数值模拟。采用具有低频散低耗散特点的计算气动声学方法,对带有非线性热源项的声波方程进行数值求解,并比较了不同的热源模型及边界条件对非线性效应的影响。结果表明,计算气动声学方法可以成功捕捉到Rijke管内压力的起振过程,而且在速度扰动达到平均流速度的1/3时,振荡会由线性增长转为非线性增长,最终达到有限幅值极限循环。相比热源项,考虑管口辐射耗散的非线性边界条件在振荡幅值和频谱方面对结果的影响都比较小。数值模拟得到的结果与实验符合较好,表明计算气动声学方法适合于热声振荡问题的研究。     

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。     

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。     

可调频率的热声振荡演示器的研制

基于热声理论,介绍了一种相对于传统热声振荡演示器更为简单、有效、直观的热声振荡演示装置,该装置除可调节声波振幅外,还可以调节声波的频率。该装置有助于更好地理解热声效应,了解影响热声振荡的因素,为进一步的深入研究奠定基础。     

指数型热声谐振管的固有频率

采用计算流体力学软件Fluent模拟研究了11种不同形状参数的指数型热声谐振管内二维非线性声场特性,分析了驱动频率和驱动强度对管内声压演化过程及固有频率的影响,并探索了指数管的固有频率与理论计算谐频之间的关系.研究发现:当驱动频率偏离谐振管固有频率时,管内将出现明显的\     

时均流驱动热声制冷研究进展

时均流驱动热声制冷是热声领域的全新方向,依据该原理工作的热声制冷系统能够利用风能获得制冷效应,完全没有运动部件,为风能利用提供了一种新思路。文中详细介绍了时均流诱导声振荡的工作机理以及时均流驱动热声制冷的最新研究进展,并对该领域的研究进行了展望。     

直线压缩机驱动热声型低温热声制冷机研究

直线压缩机驱动的热声型低温热声制冷机是获得低温的一种重要制冷技术,它利用直线压缩机往复运动产生的声波驱动脉管产生热声制冷效应而工作。文中报道了由中国科学院理化所和深圳市中科力函热声技术工程研究中心联合研制的系列液氮温区低温热声制冷机,其效率达到22%,为目前国际上所有公开报道的各类热声制冷机中的最高效率。该系列低温热声制冷机在低温下无运动部件、可靠性高,在红外探测器、高温超导滤波器等低温电子器件冷却方面具有重要应用前景。此外,还将对下一步的研究进行简单的介绍。     

热声制冷机微热力学循环的火用经济性能优化

用有限时间热力学方法分析存在传热损失时,热声制冷机微热力学循环模型的火用经济性能,导出循环利润率与工质振荡温度,以及利润率与制冷系数的特性关系,并数值分析了价格比、横向温度梯度等参数对火用经济性能的影响。     

基于DeltaE的驻波型热声发动机设计方法

在消化和吸收目前普遍接受的热声系统计算软件DeltaE(Design Environment for Low Amplitude Thermoacoustic Engines)的基础上,发展了驻波型热声发动机的结构设计方法;提出引入双参数评估法对发动机性能进行评估,以获取较高的热声转化效率。     

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。