駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)振蕩機(jī)理的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、作為一種新型的熱功轉(zhuǎn)換裝置，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)運(yùn)動(dòng)部件且采用惰性氣體作為工質(zhì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)采用熱能驅(qū)動(dòng)，能夠利用工業(yè)廢熱和太陽(yáng)能等低品位熱源，在天然氣液化、電子器件冷卻、氣體分離等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。深入理解熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的振蕩機(jī)理，對(duì)于降低熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的起振溫度和提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱聲轉(zhuǎn)換效率具有重要的意義。由于熱聲振蕩現(xiàn)象中涉及復(fù)雜的交變流動(dòng)與傳熱以及非線性聲學(xué)等難題，熱聲振蕩機(jī)理一直

2、沒(méi)有得到完整、準(zhǔn)確解釋。本文針對(duì)駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的振蕩機(jī)理開(kāi)展了理論和實(shí)驗(yàn)研究工作，主要包括：
　　1.基于熱聲網(wǎng)絡(luò)理論的駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)頻域模擬。為了更好地理解熱聲振蕩機(jī)理，本文采用熱聲網(wǎng)絡(luò)理論在頻域內(nèi)研究了駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的起振條件。從線性熱聲理論的控制微分方程出發(fā)，推導(dǎo)出存在溫度梯度的板疊傳輸矩陣的表達(dá)式。根據(jù)熱聲網(wǎng)絡(luò)理論，實(shí)現(xiàn)了對(duì)駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)起振條件的預(yù)測(cè)。計(jì)算結(jié)果與Arnott的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。起振頻率的最大偏差小于1.4

3、％，起振溫差的最大偏差約為17.9％，證明了該模型可用來(lái)計(jì)算起振頻率和起振溫差。計(jì)算了自行設(shè)計(jì)的駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)在不同諧振管長(zhǎng)度下的起振溫差和頻率隨充氣壓力變化。起振溫差的計(jì)算結(jié)果在定性上與實(shí)驗(yàn)相吻合，起振頻率的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的偏差為2.3-4.9％.對(duì)該臺(tái)駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)而言，最低起振溫差下的板疊間距約為熱滲透深度的2.6倍。該計(jì)算結(jié)果對(duì)駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中板疊間距的選擇具有一定的參考意義。
　　2.基于熱力學(xué)分析法的駐波熱聲發(fā)動(dòng)

4、機(jī)起振特性時(shí)域模擬。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)振蕩過(guò)程時(shí)域模擬，本文通過(guò)將駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)各部件進(jìn)行比擬轉(zhuǎn)化，對(duì)各部件進(jìn)行熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，建立了駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)域模型。在熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)域模擬中，交變流動(dòng)下阻力項(xiàng)和換熱項(xiàng)的計(jì)算公式是不可或缺的。然而，由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不足，以前的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)模型大多采用穩(wěn)定流公式進(jìn)行計(jì)算。本模型中提出了一種基于線性熱聲理論的計(jì)算方法，為交交流動(dòng)數(shù)值模擬中的阻力項(xiàng)和換熱項(xiàng)的計(jì)算提供了參考。本文對(duì)不同諧振管長(zhǎng)度和充氣壓力

5、下的起振溫差進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明最佳的板疊間距應(yīng)為氣體熱滲透深度的2.6-2.7倍，對(duì)于熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和性能改進(jìn)有一定的指導(dǎo)意義。計(jì)算的起振溫差變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合，諧振管長(zhǎng)度越長(zhǎng)，則起振溫差和起振頻率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差越小。3.1 m長(zhǎng)諧振管條件下計(jì)算的起振溫差與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均偏差為4.5％，最大偏差為15.2％。相應(yīng)條件下起振頻率偏差為3.9％。
　　3.駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的二維計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬。為了深入了解起振

6、過(guò)程中各物理量在駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部各位置的分布和變化，本文采用商業(yè)CFD軟件FLUENT對(duì)自行設(shè)計(jì)的駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬，建立了二維中心對(duì)稱(chēng)的CFD模型。針對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中各部件尺度差別較大的問(wèn)題，提出用非正則網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行了分區(qū)域網(wǎng)格劃分，顯著減少了模型中的網(wǎng)格數(shù)量，提高了計(jì)算效率。在定加熱溫度和定加熱量?jī)煞N條件下實(shí)現(xiàn)了駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)壓力增長(zhǎng)過(guò)程的模擬和分析，并首次通過(guò)CFD方法研究了板疊溫度分布對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

7、結(jié)果表明板疊中部溫度較高的情況下，其起振溫差較低且飽和壓力振幅較高，對(duì)于降低熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的起振溫度和提高熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)效率具有一定的指導(dǎo)意義。
　　4.駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)起振和消振特性的實(shí)驗(yàn)研究。為了更加深入地理解熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的起振特性，本文在自行設(shè)計(jì)的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了起振溫度測(cè)量、加熱過(guò)程中的頻率轉(zhuǎn)換、起振消振過(guò)程的紅外觀察等實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)不同諧振管長(zhǎng)度和不同充氣壓力下的起振溫度和起振頻率進(jìn)行測(cè)量，分別對(duì)前述的基于熱聲網(wǎng)絡(luò)理論和基于熱力

8、學(xué)分析法的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證和對(duì)比。對(duì)駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的頻率轉(zhuǎn)換特性進(jìn)行了研究，首次提出用品質(zhì)因子的數(shù)值作為熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)頻率轉(zhuǎn)換的判據(jù)。品質(zhì)因子的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好，初步證明了這種方法在判斷熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)的可行性。采用紅外熱像儀對(duì)駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的板疊進(jìn)行溫度觀測(cè)，獲得了起消振過(guò)程中板疊溫度分布的紅外圖像，并對(duì)板疊的軸向溫度分布和徑向溫度分布進(jìn)行了定量分析。通過(guò)分析不同板疊安裝角度下的板疊溫度分布，發(fā)現(xiàn)自然對(duì)流會(huì)使起振前板