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混合型热声发动机的输出特性研究

白昆  
【摘要】: 热声发动机是利用热声效应将热能转化为机械能的新型动力机械,与传统的动力机械相比,它具有无运动部件、结构简单、运行可靠、无污染以及长寿命等优点。因此近年来,热声发动机成为相关领域的研究热点。 本文首先回顾了国内外热声发动机的发展历程和研究现状,然后介绍了热声效应的基本原理,并对线性热声理论和流体网络理论进行了详细的阐述。虽然热声发动机的研究已取得了许多可喜的成果,但仍存在一些不足,如输出压比小、效率低等。此外,如何匹配和优化热声驱动脉管制冷机的结构还需要进一步研究。因此,本文对热声发动机的输出特性及在驱动脉管制冷机匹配、优化方面开展了如下工作: 1.采用亥姆霍兹共鸣器提高热声发动机的输出压比。理论计算表明,亥姆霍兹共鸣器不仅具有扩声作用,而且可以提高热声发动机的输出压比。采用1L和90mL亥姆霍兹共鸣器时,分别获得了1.324和1.49的末端压比;在合适的阻抗下,用R-C负载法测得143.5W和115.8W的最大输出声功以及4.28%和8.28%的最大声功输出效率。 2.对亥姆霍兹共鸣器耦合声压放大器的三管道系统传输特性的数值模拟和试验研究。研究表明,三管道耦合系统能大幅度提高输出压力振幅,其压力振幅的放大能力大于亥姆霍兹共鸣器。为匹配和优化热声驱动脉管制冷机提供参考。此外,试验表明三管道耦合系统在合适的输出端阻抗下最大能得到105W的声功和4.9%的声功输出效率。 3.对以二氧化碳为工质的混合型热声发动机的理论和试验研究。试验结果表明,二氧化碳在充气压力为0.8MPa时,热声发动机的最低起振温度仅为131℃,均低于以氮气和氦气为工质时的起振温度。在相同条件下,以二氧化碳为工质时,热声发动机振动的压力振幅和压比也要高于以氮气为工质的。此外,以二氧化碳为工质的热声发动机具有更低的谐振频率。


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