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驻波型热声发动机起振机理的理论与实验研究

李艳锋  
【摘要】:热声发动机是一种基于热声效应工作的新型热功转换装置。它完全无运动部件,并采用惰性气体作为工质,具有结构简单、可靠性高、无污染、可利用低品位热源等突出优点。在驱动脉管制冷机、天然气液化、电子元器件冷却等领域有广阔的应用前景,受到越来越多的关注。热声起振机理作为热声学研究的最基本问题之一,对于了解起振过程、降低起振温度、提高热声转换效率等具有重要的意义。热声起振过程中存在着异常复杂的非线性效应,且热声理论研究中尚缺少通用的系统起振判断标准,因此人们至今仍未给出广为接受的热声起振机理完整解释。本文在热声起振机理方面开展了以下几个方面的理论和实验研究工作: 1、发展了基于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。该方法对热声发动机的设计具有一定的指导意义。根据理论计算结果,设计并搭建了驻波型热声发动机实验台。该热声发动机中,独创了接近于平行板叠性能的类环形板叠结构。 2、提出了基于电路网络理论的驻波型热声发动机起振新判据在分析热声发动机起振前后系统内部参数变化的基础上,本文从热声网络理论角度分析发现,系统在这一过程中发生了从无源到有源,从稳态到非稳态的转变。对比电路网络理论中的有源性判据和稳定性判据,本文提出了热声发动机的起振新判据。实验表明,利用上述判据预测的驻波型热声发动机起振温度与实验结果吻合较好。’ 3、推导了描述驻波型热声发动机振荡状态的动力学方程针对驻波型热声发动机的工作原理,将谐振管内气体工质比拟为“气体活塞”,通过对其进行受力分析,并利用系统振荡过程中“活塞位移不为零”这一条件,获得了可以定量计算系统起振特性的动力学复方程。该方程物理意义明确、表述简单,计算结果与实验结果吻合良好。 4、驻波型热声发动机起振过程的计算流体动力学(CFD)模拟采用商用CFD(Computational Fluid Dynamics)软件FLUENT,以自行设计搭建的驻波型热声发动机实验系统为原型,利用自适应网格划分方法,建立了二维轴对称计算模型。本文定量研究了两种加热边界条件下系统压力和速度的自激振荡过程。数值模拟还观测到了驻波型热声发动机板叠端部和中部在一个周期内的流场分布。本文对板叠内部流动涡的演化过程进行了分析,为热声发动机内部复杂流场的可视化研究奠定了基础。 5、驻波型热声发动机起振过程的非线性现象研究本文实验研究了热声发动机起振过程中两个典型的非线性现象,即双阈起消振与二阶频率起振及跳频现象。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。此外,实验结果也表明系统中存在两个临界充气压力,将系统分为二阶频率起振、起振过程跳频、一阶频率起振三类起振模态。该研究有助于增进对热声振荡现象的进一步理解与认识。


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