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驻波发动机起振过程的数值模拟研究

刘邓  
【摘要】:热声发动机是一种完全没有运动机械部件的新型热力装置,它采用惰性气体作为工作介质,并且依靠低品位热源来加热系统内的气体介质,从而产生声自激振荡现象,实现热能到声能的转化。这样“绿色”的新型技术,不仅可以有效地解决化石燃料短缺造成的能源问题,而且可以从根本上避免机械部件运动过程中由于摩擦和振动产生的能量损失,在发电、制冷、液化天然气等领域具有广泛的应用前景,因此热声发动机受到国内外研究人员的广泛关注。驻波发动机的起振过程是涉及热能和声能的转化以及非线性自激振荡的复杂过程,对这一过程的理论研究有待突破,而深入研究驻波发动机的起振过程对提高驻波发动机的热声转化效率是非常重要的。驻波发动机内部的流动、传热与热力过程是高度耦合的,而计算流体动力学(CFD)又广泛地应用于流动与传热问题中。本文正是在这样的基础上,采用CFD方法对驻波发动机的起振过程进行数值模拟,通过对发动机物理模型的比拟转化建立了驻波发动机的二维几何模型。为使驻波发动机中各部件的内部区域的数据更好地连通,故采用可以实现网格平滑过渡的非结构化网格进行区域的离散。在以1.0MPa的氮气为工作介质的条件下,通过固定加热量的方式来模拟驻波发动机的起振过程,成功地观测到完整的声自激振荡过程,这可以使热声研究人员对驻波发动机的起振过程有进一步的认识。然后本文对模拟结果进行傅里叶分析发现稳定振荡时出现二次谐振的现象,最后探究了起振时间和饱和压力与加热量之间的关系以及基频与谐振管长度之间的关系,这些结论对驻波发动机的优化改进具有一定的指导意义。


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