駐波熱聲發(fā)動機振蕩機理的理論與實驗研究.pdf

1、作為一種新型的熱功轉(zhuǎn)換裝置，熱聲發(fā)動機無運動部件且采用惰性氣體作為工質(zhì)，具有結構簡單、環(huán)境友好等優(yōu)點。熱聲發(fā)動機采用熱能驅(qū)動，能夠利用工業(yè)廢熱和太陽能等低品位熱源，在天然氣液化、電子器件冷卻、氣體分離等領域具有廣泛的應用前景，近年來受到國內(nèi)外研究者的廣泛關注。深入理解熱聲發(fā)動機的振蕩機理，對于降低熱聲發(fā)動機的起振溫度和提高發(fā)動機的熱聲轉(zhuǎn)換效率具有重要的意義。由于熱聲振蕩現(xiàn)象中涉及復雜的交變流動與傳熱以及非線性聲學等難題，熱聲振蕩機理一直

2、沒有得到完整、準確解釋。本文針對駐波熱聲發(fā)動機的振蕩機理開展了理論和實驗研究工作，主要包括：
　　1.基于熱聲網(wǎng)絡理論的駐波熱聲發(fā)動機頻域模擬。為了更好地理解熱聲振蕩機理，本文采用熱聲網(wǎng)絡理論在頻域內(nèi)研究了駐波熱聲發(fā)動機的起振條件。從線性熱聲理論的控制微分方程出發(fā)，推導出存在溫度梯度的板疊傳輸矩陣的表達式。根據(jù)熱聲網(wǎng)絡理論，實現(xiàn)了對駐波熱聲發(fā)動機起振條件的預測。計算結果與Arnott的實驗結果基本吻合。起振頻率的最大偏差小于1.4

3、％，起振溫差的最大偏差約為17.9％，證明了該模型可用來計算起振頻率和起振溫差。計算了自行設計的駐波熱聲發(fā)動機在不同諧振管長度下的起振溫差和頻率隨充氣壓力變化。起振溫差的計算結果在定性上與實驗相吻合，起振頻率的計算值與實驗結果之間的偏差為2.3-4.9％.對該臺駐波熱聲發(fā)動機而言，最低起振溫差下的板疊間距約為熱滲透深度的2.6倍。該計算結果對駐波熱聲發(fā)動機中板疊間距的選擇具有一定的參考意義。
　　2.基于熱力學分析法的駐波熱聲發(fā)動

4、機起振特性時域模擬。為了實現(xiàn)對熱聲發(fā)動機振蕩過程時域模擬，本文通過將駐波熱聲發(fā)動機各部件進行比擬轉(zhuǎn)化，對各部件進行熱力學和動力學分析，建立了駐波熱聲發(fā)動機時域模型。在熱聲發(fā)動機的時域模擬中，交變流動下阻力項和換熱項的計算公式是不可或缺的。然而，由于實驗數(shù)據(jù)不足，以前的熱聲發(fā)動機模型大多采用穩(wěn)定流公式進行計算。本模型中提出了一種基于線性熱聲理論的計算方法，為交交流動數(shù)值模擬中的阻力項和換熱項的計算提供了參考。本文對不同諧振管長度和充氣壓力

5、下的起振溫差進行了計算。計算結果表明最佳的板疊間距應為氣體熱滲透深度的2.6-2.7倍，對于熱聲發(fā)動機的設計和性能改進有一定的指導意義。計算的起振溫差變化趨勢與實驗結果相符合，諧振管長度越長，則起振溫差和起振頻率與實驗結果的偏差越小。3.1 m長諧振管條件下計算的起振溫差與實驗結果的平均偏差為4.5％，最大偏差為15.2％。相應條件下起振頻率偏差為3.9％。
　　3.駐波熱聲發(fā)動機的二維計算流體力學(CFD)模擬。為了深入了解起振

6、過程中各物理量在駐波熱聲發(fā)動機內(nèi)部各位置的分布和變化，本文采用商業(yè)CFD軟件FLUENT對自行設計的駐波熱聲發(fā)動機進行了數(shù)值模擬，建立了二維中心對稱的CFD模型。針對熱聲發(fā)動機中各部件尺度差別較大的問題，提出用非正則網(wǎng)格劃分技術對模型進行了分區(qū)域網(wǎng)格劃分，顯著減少了模型中的網(wǎng)格數(shù)量，提高了計算效率。在定加熱溫度和定加熱量兩種條件下實現(xiàn)了駐波熱聲發(fā)動機壓力增長過程的模擬和分析，并首次通過CFD方法研究了板疊溫度分布對熱聲發(fā)動機性能的影響。

7、結果表明板疊中部溫度較高的情況下，其起振溫差較低且飽和壓力振幅較高，對于降低熱聲發(fā)動機的起振溫度和提高熱聲發(fā)動機效率具有一定的指導意義。
　　4.駐波熱聲發(fā)動機起振和消振特性的實驗研究。為了更加深入地理解熱聲發(fā)動機的起振特性，本文在自行設計的熱聲發(fā)動機實驗臺上進行了起振溫度測量、加熱過程中的頻率轉(zhuǎn)換、起振消振過程的紅外觀察等實驗通過對不同諧振管長度和不同充氣壓力下的起振溫度和起振頻率進行測量，分別對前述的基于熱聲網(wǎng)絡理論和基于熱力

8、學分析法的數(shù)值模擬結果進行了驗證和對比。對駐波熱聲發(fā)動機的頻率轉(zhuǎn)換特性進行了研究，首次提出用品質(zhì)因子的數(shù)值作為熱聲發(fā)動機頻率轉(zhuǎn)換的判據(jù)。品質(zhì)因子的計算結果與實驗結果符合較好，初步證明了這種方法在判斷熱聲發(fā)動機的頻率轉(zhuǎn)換時的可行性。采用紅外熱像儀對駐波熱聲發(fā)動機的板疊進行溫度觀測，獲得了起消振過程中板疊溫度分布的紅外圖像，并對板疊的軸向溫度分布和徑向溫度分布進行了定量分析。通過分析不同板疊安裝角度下的板疊溫度分布，發(fā)現(xiàn)自然對流會使起振前板