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微型热声热机的量子模型理论探索与验证研究

鄂青  
【摘要】:在热声热机技术研究的诸多方向中,微型化研究是一个重要的发展方向。但是,随着系统尺寸的降低,系统内工质粒子自身运动规律及与周边相互作用可能发生变化,这导致传统的基于经典热力学及线性规律的分析及设计方法已经不能适应。量子力学以微观粒子运动规律为研究对象,它与经典热力学的差别在于对粒子的状态和力学量的描述及其变化规律不会受到尺度的限制。因此,本文尝试将量子力学理论引入到微型热声热机的应用研究中,开展了对微型热声系统的量子模型理论探索及验证研究方面的工作。由于热声热机包括热声制冷机和热声发动机,因此本文在研究过程中分别对这两类热机都进行了独立的讨论。本文先后将量子力学中的广义势、谐振势及弱简并性的概念用于热声热机微循环及整机性能的分析上;并且在理论分析的基础上,进行了部分实验及验证工作。主要工作及结论为:(1)通过广义势的方法推导出了气体微团工作于各种不同势场条件下时的微循环性能,分析比较的结论是:相同参数条件下,气体微团工作于一维无限深势阱或谐振势阱时,微循环的能源利用效率和能量输出率的综合效果优于其他势场条件的。(2)在性能最优的谐振势场条件下,进一步对两种不同的不可逆因素对微循环的性能影响情况进行了分析,给出了优化系统性能的指标和方法。(3)将气体自身的弱简并性影响引入对热声热机微循环的分析,将研究对象从单一气体微循环扩大到整个板叠内无数气体微循环的总和,从而建立了一套适用于不可逆量子热声热机整机性能分析的模型。在该模型的帮助下,提出了一种新的选择热声板叠长度的方法。(4)研究了通过调节声场,使其能够在回热器中建立起预期的谐振势阱条件,以实现热声热机性能优化的方法,并制作了适用于微型双驱动热声系统的单片机相位控制电路。(5)实验了两台经由传统热声优化方法优化过尺寸的微型热声制冷机样机和微型热声发动机样机,初步验证了本文提出的子板叠模型确定热声系统最优板叠尺寸的方法在理论上是合理的、在实践上是具有可操作性的。


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