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高压工况四级环路行波热声发动机的理论和实验研究

黎明  
【摘要】:热声发动机是基于热声效应的一种新型压力发生装置。因其系统内无运动部件,常采用惰性气体作为工质,具有结构简单、可靠性高、运行过程环保等优点,但是也面临着压比小(一般小于1.4)、单位体积能量密度较低等问题。提高热声发动机系统的工作压力通常有利于增大压力振幅,进而能提高流体流经流道截面的声功率。本文基于数值模拟与分析,设计并搭建了一台能够承受高压的四级环路行波热声发动机实验系统,并对系统在高压下的运行情况进行了实验研究。主要开展如下研究工作:1.首先基于线性热声理论,建立了四级环路行波热声发动机的数值模型,并对四级环路行波热声发动机进行了整机模拟,分析了系统的温度分布、压力振幅与相位的分布、体积流速振幅与相位的分布、比声阻抗分布以及声功流率分布的情况。结果显示,其温度、压力振幅、体积流速振幅、比声阻抗以及声功流率在每个单元中的分布都是相同的,而压力相位与体积流速相位则呈现对称分布。2.鉴于四级环路行波热声发动机中的声场呈现对称分布,对其中一级进行研究,采用6 MPa的He作为工质,重点研究了截面积比、水冷器、回热器、加热器、热缓冲管、谐振管和阻容负载对于系统的压力振幅、效率以及加热功率等性能参数的影响,并基于此对系统结构进行了优化设计。3.搭建了一台能在高压工况下运行的四级环路行波热声发动机系统,并开展了实验研究工作。综合压力振幅和加热温度两方面考虑,研究了在不同的充气压力下,系统无负载时回热器丝网目数、工质以及加热功率对热声发动机性能的影响,并将不同充气压力与加热功率下的实验结果与模拟结果进行了比较。最后,对高压工况下,四级环路行波热声发动机驱动负载的性能开展了初步的实验研究。


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