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驻波热声发动机理论和实验研究

朱保宇  
【摘要】:热声发动机可以将热能转换成高振幅声波,这种声波可以应用于发电、制冷除尘等领域。世界各国对热声技术的关注度越来越高,原因在于这种技术几乎零排放,成本低,可靠性高,且热声发动机的振荡气流可以直接驱动脉管制冷机,从而实现无运动部件的冷却系统。驻波热声发动机由于结构简单,体积较小,制造成本低,受到人们的青睐。本文从热声理论、模拟和性能实验方面开展了对驻波热声发动机的研究工作,主要针对目前主流的两种驻波热声系统,即开口式和对称式驻波热声发动机进行研究。主要工作由以下几部分组成:分析和介绍了热声热机和热声学基础理论,从热声连续性、动量和能流方程的角度,探讨了线性热声理论,推导出驻波热声系统模拟仿真的基本数值方程。通过自行设计的驻波热声系统性能试验以及DeltaEC仿真模拟相结合的方式,研究了板叠结构参数(间距、板厚、位置、长度)和谐振管长度对开口驻波热声系统性能的影响。结果表明:适当增加板叠长度和板叠内部的孔隙率,可有效改善板叠内部工质气体的换热,提高系统的性能。在对开口驻波系统研究之后,利用现有的实验和仿真模拟条件,对对称式驻波系统也进行了研究,探讨了运行参数和结构参数对发动机性能的影响。结果表明:热声系统的压力振幅随着谐振管长度、工质气体密度和充气压力的增加而加大;热声系统的起振温差与操作参数有关,且随着谐振管长度的增加而减小。


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