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热声发动机自激振荡过程及热声转换特性研究

余国瑶  
【摘要】: 热声发动机是一种完全无运动部件和采用惰性气体作工质的新型热力机械,具有可靠性高和环保等突出优点,用它驱动热声制冷机或直线发电机可以做成完全无运动部件的热声制冷机或者高可靠性的热声发电机,具有重要的应用前景。热声发动机涉及非线性自激振荡、热声转换等复杂过程,其内部流动、传热与热力过程高度耦合,对其机理的研究和大振幅声场下的理论计算有待突破;另外,提高工作频率有利于热声发动机的微型化和提高功率密度,是热声发动机研究的发展方向之一。为此,本文开展了以下几个方面的理论和实验研究工作: 1.热声斯特林发动机的CFD模拟研究 以热声斯特林发动机实验系统为原型,建立了二维数值计算模型。对计算方法的可行性进行了检验,表明非耦合求解器、二阶时间隐式格式和二阶空间迎风差分格式可以避免数值格式耗散和虚假振荡,适合于可压缩交变流热声发动机的模拟。研究了两种加热边界条件下的热声发动机的起振过程,首次获得了在给定加热量热边界条件下的完整的非线性自激振荡演化过程,成功地捕捉到临界起振温度、压力波振幅放大以及振幅饱和等非线性现象。此外,数值模拟捕捉到了行波回路中的非线性Gedeon声直流现象。在二维数值模拟的基础上,首次对热声斯特林发动机实验系统进行了三维的数值模拟,计算结果给出了热声发动机内的非均匀流场、温度场等复杂三维效应。 2.高频驻波热声发动机的CFD模拟研究 参照高频驻波热声发动机实验系统建立了二维数值计算模型,对计算模型的有效性进行了研究,表明实现有限换热条件的板叠实物模型适合驻波发动机的模拟。研究了两种加热边界条件下的发动机的起振过程,获得了在给定加热量热边界条件下不同于低频发动机的平均压力显著升高、压力波振幅放大和振幅饱和过程。计算结果给出了发动机内部驻波声场分布特性。此外,数值模拟观测到了高频驻波热声发动机板叠端部和谐振管气库的流动涡结构及其演化过程。 3.高频驻波热声发动机的热声转换特性研究 将变径管引入高频驻波发动机,获得了系统性能的显著提升。特别地,以氦气为工质,工作频率约为300Hz,平均压力为4.2MPa,最高压比达到了1.175。 将声压放大器引入高频驻波发动机驱动高频脉冲管制冷机系统,通过实验揭示了两者的耦合关系,表明发动机与声压放大器耦合位置的体积流率对耦合系统具有重要影响。对耦合系统进行了计算和实验优化,采用长63cm内径4.3mm的声压放大器,在加热功率为750W时,脉冲管制冷机的最低制冷温度达到68.3K,是目前国际上报道的高频热驱动脉冲管制冷机的最低温度。加热功率为500W时,脉冲管制冷机在80K时的制冷量达到了0.2W。 通过理论计算揭示了驻波热声发动机与RC负载在高频下的耦合关系,指出高频下RC负载气库的增大使RC负载与发动机的连接管在一定工况下会出现压力波缩小现象,并在实验中得到验证。特别地,在压力4.2MPa下,发动机的最大净输出声功达96W,最高净输出效率9%。 4.高频热声斯特林发动机的热声转换特性研究 实验研究了重力场对发动机性能的影响规律,指出重力场只对发动机的起振温度有较大影响,对振荡频率、压力振幅和加热温度影响较小。实验研究了运行参数、回热器丝网目数和工作介质的影响规律。特别地,以平均压力4.0MPa的氦气为工质,工作在314Hz,发动机的压比可达到1.17;以平均压力2.0MPa的二氧化碳为工质,工作在76Hz,发动机的最高压比达到1.24。对高频热声斯特林发动机和高频驻波发动机驱动同一台脉冲管制冷机进行了实验对比,表明高频热声斯特林发动机的热效率高于高频驻波热声发动机。


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