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基于热声理论的声能控制及声能利用研究

贾润强  
【摘要】:在燃烧动力领域,热声振荡一直是研究学者关注的问题。热声振荡,一方面造成了热声不稳定的产生,即大振幅的低频振荡,在一定程度上导致系统设备的疲劳损伤,甚至有可能产生事故熄火等;另一方面,由于热声效应的存在,热声发电技术逐渐发展起来,它可以利用低品位热能,从而在太阳能和工业废热的高效利用方面提供了新思路。本文将从声能控制和声能利用两个部分展开研究。首先,本文搭建了 Rijke管热声特性实验台,探究了不同管长、不同功率下Rijke管的基本热声特性。实验结果表明,起振功率随着管长增加而先减小后增大,当长径比为20时起振功率最低;同一管长(或长径比)下,随功率的增加,声压级呈现升高的变化趋势,频率基本保持不变;同一功率下,随着管长的增加,声压级的变化呈现“双峰”的变化规律,而频率逐渐降低。其次,综合考虑选取长径比为20的Rijke管搭建声能控制实验台,通过扬声器主动发声实现热声不稳定的主动控制。实验结果表明,扬声器的激励频率在热声主频附近时,扬声器是一种有效的主动控制手段。当扬声器声波频率为200Hz,声压级为120dB时,控制效果最好,高达81.7%。最后,本文为探究声电转化的实验机理,进行了基于扬声器的冷态与热态实验。冷态实验,由两个扬声器(分别为发射源、接收源)来实现;热态实验,由Rijke管与扬声器来实现。实验结果表明,发射源频率接近扬声器共振频率,接收源的输出功率和转化效率较高;转化效率随着负载电阻的增加呈现先增加后减少的趋势,并且转化效率存在一个最佳的负载区即10-30Ω之间,转化效率η都能维持在30%-45%;随着热源电压的增加,扬声器的输出电压和输出电流都有所增加,即扬声器的实际功率也逐渐增加,证实了热声声电转化的可行性,并为课题组项目《低品位热能驱动的热声发电研究》的实施提供了经验。


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