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行波型热声发动机的数值模拟研究

高鹏  
【摘要】:热声热机是一种与传统的热机完全不同的新型热机,它通过工质气体的自激振荡来产生声功。它具有无运动部件、结构简单、可靠性高、寿命长等优点;除此之外,它可以利用废热,太阳能等作为热源;采用惰性气体作为工质,有利于保护环境,是一种非常有价值和潜力的新型动力装置。目前,热声热机的数值模拟在热声学的研究进程中越来越受到重视,通过对热声系统模拟可以对系统内的热力学特性进行预测,而且能够为热声系统的实验研究和热声热机的设计提供很大的帮助。热声热机包括驻波型热声热机和行波型热声热机,普遍认为,行波热声设备的效率要高于驻波设备,因此,对行波型热声热机的研究已成为热声领域的研究热点。首先,本文利用有限元方法对一台行波型热声发动机的实验系统进行数值模拟,以线性热声理论作为此次模拟计算的数学模型,采用与实验系统相同的工况条件作为此次模拟计算的物理模型。同时利用有限元方法中的加权余量法对上述数学模型进行求解,然后根据整个系统求解的算法建立了数值模拟的计算框图并以此为依据对系统依次进行迭代计算,最后根据计算结果成功观测到实际行波型热声发动机系统内的流场特性以及内部各个部件对热声系统的影响,并根据计算结果对发动机的结构设计提出了优化方案。其次,本文对热声二维一阶理论模型做了简化,提出了利用有限元方法中的加权余量法对简单管路模型求解的算法,对求解步骤进行了详细的介绍并绘制了求解计算框图。最后,对全文进行了总结与展望。


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