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热声发动机多路声功输出模拟及燃气驱动方法研究

赵亮  
【摘要】: 热声热机是一种全新的动力机械,它没有机械运动部件,采用惰性气体为工质,具有结构简单、无污染、可靠性高、寿命长等优点。由热声发动机驱动的制冷系统,在低温和普冷领域有着巨大的商业应用前景。 本文回顾了热声研究的发展历史,对经典的线性热声理论进行了简单的介绍,并重点研究了热声计算软件DeltaE的使用方法,对现有的斯特林热声发动机系统进行了建模,模拟计算了回热器长度对热声发动机性能的影响。 热声发动机具有气体量大、沿声波传输方向尺寸大等特点,通常具有较大范围的声场分布,这种特点带来的缺点是不利于声功的集中输出,同时为维持内部声场,内耗散居高不下。本文对多路声功输出方案进行了模拟计算并与实验结果进行了对比。模拟计算结果与实验的良好吻合,证明该方案一方面可以大幅度提高热声发动机的声功输出量,提高其热效率,另外为热声发动机能量的梯级利用提供了参考。这意味着热声发动机可以同时驱动多级,甚至多个热声制冷机,这些制冷机工作于不同的温位,以满足不同的需要。 为了实现对热能的直接利用,本文还通过实验初步探索了燃气驱动热声发动机。结果表明燃气加热器大幅提高了系统加热功率,进而达到更高的加热温度,使得系统得到了更强的压力振荡。以氮气为工质,在充气压力为1.2MPa时最高达到了1.29的压比,在充气压力为2.4MPa时得到了250.3W的声功。通过使用弹性膜片抑制直流使热声发动机在充气压力1.2MPa时的压比提高到了1.34。


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