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热声谐振管参数激励机理研究

陈熙  
【摘要】:随着效率的提高和应用前景的不断扩大,热声热机现在已进入工程实用阶段。由于任何运行的热机系统本来都是开放的非线性系统,面对需要解决的非线性问题,探索新的理论和方法满足工程需要已成必然。本文在进行热声热机实验研究的实践过程中,在前人工作的基础上初步形成了热声谐振参数激励机理和实验模态分析研究思路,并对此进行了一些探索。 本文首先从热动力学理论出发,针对热声谐振系统中的自激振荡现象,通过时间参量的引入,在已有的定常态热动力学热声网络理论的基础上,用时变元件取代原来的周期时均元件,并用参数谐振机理来揭示热声谐振系统的稳定性课题,使网络理论从解决线性课题领域延伸到了能够解决非线性课题。并用参数谐振机理讨论了:回热器的储能作用;热声谐振的起振条件和稳定条件;回热器的滤波和流放大作用;用振荡的周期结构理论阐述了热致声效应存在多个模态和最可几模态的机理,并指出寻找最可几模态对于提高热声效率和优化系统设计具有重要意义。 对热声谐振管进行了整机动态实验研究,获得了大量的实验数据,包括系统声压的变化和回热器内部温度场的变化。通过对这些时间序列的分析和数据拟合,得到了与其外在表象相对应的回热器内部参数变化;从系统的模态、渗透深度、分布函数、时间尺度等方面,论述了系统动态演变过程与回热器内部参数变化的相关性;通过实验辨识的方法,建立了回热器调制度的计算模型,并得到了相关的值。对回热器具有多个模态、振荡流动与回热器结构的周期性有关等理论分析,通过实验有了初步认识。 为了深入研究热声谐振管参数激励机理理论,设计了一套即可以用于声驱动制冷机实验也可以用于热驱动驻波管实验的装置,并利用DeltaE仿真程序对驻波管进行了仿真实验,并对系统的模态进行了讨论。 利用扫频技术对驻波谐振管进行了扫频输入和单频率输入的动态实验,得到了回 WP=5 热器输入和输出信号的时间序列、频谱和温度场变化,分析了实验数据得到了一些启发,这些启发对于将回热器的最优结构和选定谐振管的回热器及本征频率匹配都可能有很大意义。并从时间序列ARMA模型入手,利用实验模态分析方法研究了回热器的动态特性,得到了回热器的传递函数和谐振模态,对各个谐振模态进行了分析和讨论。研究结果有助于深入了解热声谐振管回热器的热致声的参数激励机理,同时也有助于提高热声效率、降低回热器温度阈值和优化系统设计。


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