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热声热机热力学循环模型分析与微小型热声制冷机设计

张富珍  
【摘要】:热声热机是一种新型热机,由于其少或无运动部件,因而使热机小型化成为可能;所用工质为天然工质,因此克服了经典热机的环境污染问题,所以近20年来,对热声热机的研究成为热机研究一个新的亮点。 对于热声效应的研究,需要热力学提供新的思路和方法,由于热声效应是热能与振动的声能之间的转换,已经超出了经典的、准静态的经典热力学的研究范围,对其研究需要热力学与动力学的有机结合。 本文的主要工作是建立介观尺度的热声热机热力学循环模型以及利用热声板叠与频率的耦合特性设计出微小型化的热声制冷机。本文主要在以下几个方面作了研究: 1.周期振荡结构的热机循环的时序波型分析。热声热机是一种新型热机,其与经典热机最紧密的联系一方面是对热力学基本理论的遵循,另一方面就是二者都具有周期振荡的特点,因此本文由此入手,分析了经典热机与热声热机的时序波型,得出了实际的经典热机与热声热机都是行、驻混和波型,并没有纯粹的行、驻波结构,周期振荡结构的热机循环的压力振荡和体积振荡的相位差,体现了其p-V图上示功图的丰满程度,从而初步建立起了经典热机和热声热机之间热力学分析的桥梁。 2.热声效应是介观尺度的热力学循环,本文在局域平衡假设的前提下,对热声热机的热力学循环模型进行了探讨,得出了在热声热机中进行有效能量转换的是处于热穿透深度附近的气体微团,其进行的是多热源循环,而非斯特林循环或其它循环。在热声热机中,窄流道内的气体微团,其经历多热源的可逆循环,对于流道水力半径为几个热穿透深度的回热器中的气体微团,由于横向的热量、动量交换,为不可逆的多热源循环。 3.热声效应的实现有赖于热声板叠与气体振动的耦合作用,因此在改造设备和设计微小型化的热声制冷机之前,对热声板叠与频率的耦合进行研究是必要的。本文研究表明:对于驻波型热声制冷机,制冷目的的实现依赖于


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