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热声热机回热器特性研究

辛天龙  
【摘要】:回热器作为热声热机的关键部件,其深层的热声转换机理一直是国内外相关领域的研究重点。本文在前人工作基础上,主要从回热器本身的结构动力学特性出发,对热声回热器内的声辐射特性、结构频率和振动特性进行了理论分析、数值模拟和实验研究工作。 针对回热器的结构特性,对回热器内的结构声理论进行了介绍,分析了回热器内结构声产生的两种激励方式一声激励和振动激励的产生和对热声系统内部声场的影响。提出了利用近场声全息技术研究热声内部声场的各种声参量以及热声系统内的声全息数据的测量方法;建立了三维板叠回热器模型,分别对板厚和板间距为0.6mm、0.8mm和1.0mm的回热器进行了静力学分析、模态分析及谐振动下的动力参数等的响应研究;在对实验台进行改进的基础上,对板厚为0.6mm和板间距为0.6mm的板叠进行了实验研究,并与蜂窝陶瓷和金属丝网两种不同形式回热器在热声热机内工作的主要性能参数进行了实验对比。 主要得出:(1)不同板厚的回热器的固有频率相差较大,而板间距对回热器的固有频率影响较小。(2)不同结构的回热器呈现不同的振动模态和振型;回热器的各动力学参数在固有频率附近达到最大;回热器的中部位置是其对气体微团作用最强的区域。(3)通过对多种不同结构参数的回热器动力学频率响应特性对比,得出0.6mm板厚和0.6mm板间距的板叠式回热器对频率的响应比较归一,有利于起振阶段热声系统内能量的集中。(4)相同充气压力和加热功率下,板叠回热器热声热机达到的压比最高,陶瓷回热器最低,丝网式回热器介于两者之间;相同条件下,丝网回热器最易起振,板叠回热器次之,蜂窝陶瓷较难起振。以板叠回热器为例,热声系统在145℃起振,起振温差大约为118℃,对于工业中的中低温余热等热源利用是可行的。(5)热声系统的最终稳定振荡频率是由谐振管对整个能量的重新分配决定的。回热器中气体微团在系统起振一开始产生的高频自激振荡频率是存在的。


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