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驻波热声发动机振荡机理的理论与实验研究

赖碧翚  
【摘要】:作为一种新型的热功转换装置,热声发动机无运动部件且采用惰性气体作为工质,具有结构简单、环境友好等优点。热声发动机采用热能驱动,能够利用工业废热和太阳能等低品位热源,在天然气液化、电子器件冷却、气体分离等领域具有广泛的应用前景,近年来受到国内外研究者的广泛关注。深入理解热声发动机的振荡机理,对于降低热声发动机的起振温度和提高发动机的热声转换效率具有重要的意义。由于热声振荡现象中涉及复杂的交变流动与传热以及非线性声学等难题,热声振荡机理一直没有得到完整、准确解释。本文针对驻波热声发动机的振荡机理开展了理论和实验研究工作,主要包括: 1.基于热声网络理论的驻波热声发动机频域模拟。为了更好地理解热声振荡机理,本文采用热声网络理论在频域内研究了驻波热声发动机的起振条件。从线性热声理论的控制微分方程出发,推导出存在温度梯度的板叠传输矩阵的表达式。根据热声网络理论,实现了对驻波热声发动机起振条件的预测。计算结果与Arnott的实验结果基本吻合。起振频率的最大偏差小于1.4%,起振温差的最大偏差约为17.9%,证明了该模型可用来计算起振频率和起振温差。计算了自行设计的驻波热声发动机在不同谐振管长度下的起振温差和频率随充气压力变化。起振温差的计算结果在定性上与实验相吻合,起振频率的计算值与实验结果之间的偏差为2.3-4.9%。对该台驻波热声发动机而言,最低起振温差下的板叠间距约为热渗透深度的2.6倍。该计算结果对驻波热声发动机中板叠间距的选择具有一定的参考意义。 2.基于热力学分析法的驻波热声发动机起振特性时域模拟。为了实现对热声发动机振荡过程时域模拟,本文通过将驻波热声发动机各部件进行比拟转化,对各部件进行热力学和动力学分析,建立了驻波热声发动机时域模型。在热声发动机的时域模拟中,交变流动下阻力项和换热项的计算公式是不可或缺的。然而,由于实验数据不足,以前的热声发动机模型大多采用稳定流公式进行计算。本模型中提出了一种基于线性热声理论的计算方法,为交变流动数值模拟中的阻力项和换热项的计算提供了参考。本文对不同谐振管长度和充气压力下的起振温差进行了计算。计算结果表明最佳的板叠间距应为气体热渗透深度的2.6-2.7倍,对于热声发动机的设计和性能改进有一定的指导意义。计算的起振温差变化趋势与实验结果相符合,谐振管长度越长,则起振温差和起振频率与实验结果的偏差越小。3.1m长谐振管条件下计算的起振温差与实验结果的平均偏差为4.5%,最大偏差为15.2%。相应条件下起振频率偏差为3.9%。 3.驻波热声发动机的二维计算流体力学(CFD)模拟。为了深入了解起振过程中各物理量在驻波热声发动机内部各位置的分布和变化,本文采用商业CFD软件FLUENT对自行设计的驻波热声发动机进行了数值模拟,建立了二维中心对称的CFD模型。针对热声发动机中各部件尺度差别较大的问题,提出用非正则网格划分技术对模型进行了分区域网格划分,显著减少了模型中的网格数量,提高了计算效率。在定加热温度和定加热量两种条件下实现了驻波热声发动机压力增长过程的模拟和分析,并首次通过CFD方法研究了板叠温度分布对热声发动机性能的影响。结果表明板叠中部温度较高的情况下,其起振温差较低且饱和压力振幅较高,对于降低热声发动机的起振温度和提高热声发动机效率具有一定的指导意义。 4.驻波热声发动机起振和消振特性的实验研究。为了更加深入地理解热声发动机的起振特性,本文在自行设计的热声发动机实验台上进行了起振温度测量、加热过程中的频率转换、起振消振过程的红外观察等实验。通过对不同谐振管长度和不同充气压力下的起振温度和起振频率进行测量,分别对前述的基于热声网络理论和基于热力学分析法的数值模拟结果进行了验证和对比。对驻波热声发动机的频率转换特性进行了研究,首次提出用品质因子的数值作为热声发动机频率转换的判据。品质因子的计算结果与实验结果符合较好,初步证明了这种方法在判断热声发动机的频率转换时的可行性。采用红外热像仪对驻波热声发动机的板叠进行温度观测,获得了起消振过程中板叠温度分布的红外图像,并对板叠的轴向温度分布和径向温度分布进行了定量分析。通过分析不同板叠安装角度下的板叠温度分布,发现自然对流会使起振前板叠的径向温度分布不均匀,且温度分布的不均匀程度主要受充气压力的影响。系统起振后,自然对流造成的径向温度分布不均匀逐渐消失。


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