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三级环路行波热声发动机的数值模拟及实验研究

罗凯  
【摘要】:随着分布式能源系统和可再生能源利用的迅速发展,高效的能源梯级利用技术成为研究热点。中低温区的工业废热广泛存在,可用于宽温区的热功转换技术应用前景广阔。行波热声发动机具有本征效率高、结构简单、可靠性高及成本低等优点,特别是多级环路行波热声发动机因起振温度低、能流密度高,近年来得到了越来越多的关注。目前关于热声系统的诸多非线性特性及转化机理仍不明晰,而线性热声理论不能描述时域动态过程及非线性特征,CFD等方法受到计算时间、成本的限制,不适用于整机模拟。为更好揭示热声发动机自激振荡机理及非线性特性,本文采用数值模拟和实验结合的方法针对三级环路行波热声发动机的工作特性开展研究,主要内容如下:1.从基本流体控制方程出发,建立了适用于三级环路行波热声发动机的一维非稳态模型(1DUM),并采用MATLAB编程求解。模拟结果表明,由于考虑了气体轴向导热,该模型可描述系统从静止状态至振荡饱和的完整压力波演化过程,并对比了不同初始扰动形式的影响,指出初始扰动只改变压力波达到饱和的时刻,并不影响增长曲线及稳态结果。另外,模拟获得了压力高频谐波及回热器内气体温度时域特性等,通过对比实验及公开文献,验证了该模型的合理性;2.优化设计并搭建了一台三级环路行波热声发动机系统。对比了不同充气压力和冷热端温差下,DeltaEC模拟、1DUM模拟及实验获得的运行频率和压力幅值,结果表明1DUM可更准确预测发动机运行频率,在测量范围内最大误差约为0.4 Hz;实验中出现较强的射流等现象,造成压力幅值模拟值与实验值的差异;此外,流动换热关联式是造成DeltaEC与1DUM稳态压力幅值存在较大差别的原因,在充气压力为1 MPa,温差为400 K时,DeltaEC和1DUM与实验间的误差分别可达62%和118%。最后,模拟结果表明1DUM可以计算获得与DeltaEC相似的声场特性分布,其中压力振幅及体积流速相位分布整体误差不超过1°,但在幅值计算上仍需对模型中的流动与换热关联式进行进一步修正。由于1DUM不依赖经验初值,只需设置环路边界条件和静止初始工况即可,大大简化了建模计算过程,适用于复杂热声系统模拟;3.基于三级环路行波热声发动机实验系统,开展了起振消振特性研究,以氮气为工质,在充气压力为4.0 MPa时,获得最低起振温差约为44K,并在实验中发现明显热声振荡滞后现象;采用阻容负载开展了发动机输出特性初步实验研究,结果表明负载阻抗值对输出性能影响显著,声功和相对卡诺效率都存在最佳阻抗匹配点。以氮气为工质,充气压力为3 MPa,热源温度为543 K时,获得最大声功78.3 W,最大相对卡诺效率约2.2%。值得指出的是,实验中发现了明显直流、射流等现象,导致使热声转化效率显著降低,后续将在抑制直流、射流,减少热损失等方面开展研究工作。


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