行波热声发动机及其驱动的脉管制冷机研究

【摘要】：热声机械以其潜在高效率、结构简单、运行可靠和工质环境友好等显著优点引起了广泛关注。热声发动机以热能为动力，可以利用工业废热、太阳能等低品位热源，可望在天然气液化、石油伴生气的液化与分离、电子元器件冷却等领域获得应用。为了进一步提高热声发动机的驱动能力，优化热声发动机与脉管制冷机的匹配，本文以研制高效率行波热声发动机、探索利用低品位能源的有效途径、寻找提高热声发动机驱动能力的方法、研究热声发动机驱动脉管制冷系统获得深低温的可能性为工作重点，开展了以下研究工作： 1，建立了行波热声发动机数学模型 在前人理论研究的基础上，提炼出行波热声发动机的完整数学模型，给出了该模型的假定条件和定解条件。尽管该模型建立在线性热声理论的框架内，没有考虑直流问题和高阶参数，但已可以涵盖目前在热声领域内遇到的大部分问题。基于该数学模型的简化形式，利用传输矩阵法对行波热声发动机的工作频率进行了数值计算，发现谐振管长度、谐振管直径和谐振腔容积等结构参数对行波热声发动机工作频率的影响比操作参数大，从而为优化热声发动机与脉管制冷机之间的频率匹配奠定了理论基础。 2，研制了一台行波热声发动机 设计和搭建了一台目前国内最大的行波热声发动机系统，设计输入功率为6000 W。在搭建该实验台的过程中，作者设计制作了具有自身特点的热声发动机核心部件：加热器和环路热应力消除装置。初步的实验结果显示，该发动机具有较高的热声转换效率和单频特性，以氮气为工质，在充气压力为0.9MPa时，达到1.21的最高压比；以氦气为工质，在充气压力为2.0 MPa时获得1.19的最大压比，这是当时处于国际前列的实验结果。 3，提出采用外加压力扰动降低热声发动机起振温度的新方法 实验证明，该方法可以有效降低热声发动机的起振温度，在充气压力为0.91 MPa时，加入扰动后起振温度