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场协同理论在热声发动机中的应用研究

谢海波  
【摘要】:热声发动机是一种基于热声效应工作的新型动力机械,与传统热机相比其结构简单、绿色环保、能利用低品位能源等优点,使其具有广阔的应用前景。这也使得越来越多的科研人员开始关注热声热机的发展。为了更进一步的探索热声发动机的热声转换机理以及提高其转换效率。本文在国家自然科学基金(资助号:51276201)的大力支持下开展了以下几个方面的研究: 1、从热声理论的研究现状入手,介绍了热声理论的发展状况,并分析了现有热声理论的不足,引进并介绍了对流传热的场协同理论及其基本思想。基于此结合线性热声理论中的声功流方程以及CFD数值计算平台创建了热声发动机的场协同模型。 2、温度场和流场与系统内部声场的协同研究 基于前文建立的热声发动机场协同模型,研究了谐振管内声压幅值与体积利率幅值随着热端温度及板叠位置的变化情况;分析了系统内部波动量的波动周期及压力与体积流率的相位夹角随热端温度及板叠位置的变化情况,结果表明振荡周期主要跟谐振管长度有关,并不随热端温度及板叠位置的改变而发生明显的变化;相位夹角则随着热端温度的升高,呈现下降的趋势,随着板叠位置的右移相位角先减小后增大,且总体呈现一个对称的分布情况;通过对系统的声功输出进行考察,发现在热端温度850k时声功率最大为137.81w,认为此时系统内的温度场与声场协同的比较好;当板叠位于0.03m处时系统输出声功率最大为122.49w,可以认为此处系统内的流场与声场协同的比较好;此外还对系统内的流动特性及传热特性进行了分析,研究表明谐振管内压力分布的周期变化是系统内产生交变流动的重要原因,板叠与气体工质间正向热流最大值比负向热流最大值要大,这正是热声效应的宏观表现。 3、重力场和磁场与系统内部声场的协同研究 基于前文建立的热声发动机场协同模型,同样也研究了系统内部压力及体积流率幅值随安装倾角改变的变化情况;分析了三种安装倾角下系统振荡周期及相位角的变化情况;研究结果表明安装倾角为0。时,系统性能最优,振荡幅值最大,相位角最大,声功率最大,因此可以认为安装倾角为0。时重力场与内部声场协同性能最好;此外还研究了不同安装倾角时热流波形的分布情况,结果表明90°和-90°时热流波形基本一致,且热流幅值比0°时要小得多。 通过添加体积力源项的方式研究了梯度磁场与热声系统内部声场的协同性能,研究了梯度磁场对系统内压力幅值及体积流率幅值分布情况的影响;分析了梯度磁场对系统的振荡周期及压力与体积流率间的相位角的影响,结果表明梯度磁场能够增大压力与体积流率之间的相位角,从而能够有效的提高系统的声功输出。


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