小型行波熱聲熱機(jī)系統(tǒng)的研究.pdf

1、熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的脈沖管制冷機(jī)是一種完全沒有運(yùn)動(dòng)部件的新型制冷機(jī)，由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、使用壽命長、無污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，倍受學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。近年來，隨著航天工業(yè)和國防工業(yè)對小型低溫制冷機(jī)需求的日益增長，如何實(shí)現(xiàn)熱聲驅(qū)動(dòng)器的小型化就成為迫切需要解決的問題。為了有效提高小型斯特林型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)波動(dòng)壓力幅值、降低熱聲驅(qū)動(dòng)脈沖管制冷機(jī)的制冷溫度，本文針對以下幾個(gè)方面開展了理論和實(shí)驗(yàn)研究工作：
　　 ⑴從線性熱聲理論入手，定性分析

2、了回?zé)崞髁鲏合辔徊钜约白杩箤β暪ρ爻套兓实挠绊?，確立了相位和阻抗聯(lián)合調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)原則。
　　 ⑵小型斯特林熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)值模擬和計(jì)算分析。建立小型高頻斯特林型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的線性理論模型，在此基礎(chǔ)上，對斯特林型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的聲場分布，包括波動(dòng)壓力、體積流率、流壓相位差、溫度以及聲功流等的分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，對此類發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的聲場分布有了更為深入的認(rèn)識；分析了系統(tǒng)各元件徑向尺寸對于系統(tǒng)諧振頻率以及性能的影響，計(jì)算結(jié)果表明，諧振管內(nèi)徑的變

3、化對于小型斯特林熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的諧振頻率以及性能具有十分重要的影響，適當(dāng)減小諧振管的徑向尺寸，能夠有效降低整機(jī)的諧振頻率，減小回?zé)崞魈幱捎谒俣冗^大造成的粘性損失，提高系統(tǒng)波動(dòng)壓力幅值，這對于熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的小型化具有重要的指導(dǎo)意義；從阻抗和相位的角度分析了運(yùn)行參數(shù)包括加熱量和充氣壓力對于系統(tǒng)性能的影響，指出在設(shè)計(jì)過程中，運(yùn)行參數(shù)必須結(jié)合結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行綜合考慮才能夠在回?zé)崞魈帿@得最佳的阻抗和相位差，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的最優(yōu)。
　　 ⑶在

4、計(jì)算及試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并建立了一臺氦氣工質(zhì)的小型斯特林熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，總體尺寸為690×260mm，總重量不超過5Kg。通過回?zé)崞鲀?yōu)化、諧振管管徑調(diào)節(jié)、改變運(yùn)行參數(shù)等實(shí)驗(yàn)手段，當(dāng)充氣壓力為2.5MPa，加熱量為700W的時(shí)候可以獲得2.71Bar的最大壓力峰峰值，壓比達(dá)到了1.115，此時(shí)系統(tǒng)的諧振頻率為282Hz，成功突破了高頻小波動(dòng)壓力幅值的瓶頸。
　　 ⑷建立了一個(gè)簡單的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)--負(fù)載的集總網(wǎng)絡(luò)模型，分析結(jié)果表明，熱聲發(fā)

5、動(dòng)機(jī)與負(fù)載之間是相互影響，相互制約的，負(fù)載的加入，會(huì)引起熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)加熱器的溫度和壓力波動(dòng)幅值的變化，這種變化反過來又會(huì)對負(fù)載的性能產(chǎn)生影響；分析了發(fā)動(dòng)機(jī)和負(fù)載之間的連接管在系統(tǒng)耦合中的重要作用，初步總結(jié)了熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與負(fù)載的耦合關(guān)系；對慣性管的相位以及阻抗的調(diào)節(jié)功能進(jìn)行了定性的分析，強(qiáng)調(diào)了慣性管對阻抗的調(diào)節(jié)能力。
　　 ⑸基于線性熱聲理論，本文首次將斯特林熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)和慣性管調(diào)相的脈沖管制冷機(jī)作為一個(gè)整體進(jìn)行數(shù)值模擬，重點(diǎn)模擬分析了

6、蓄冷器的長度、脈沖管的長度和內(nèi)徑、制冷機(jī)換熱器的目數(shù)和長度、制冷機(jī)慣性管的長度和內(nèi)徑以及連接管的長度和內(nèi)徑對于制冷機(jī)性能的影響。同時(shí)也分析了熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及運(yùn)行參數(shù)的變化對制冷機(jī)的影響。
　　 ⑹根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，對熱聲驅(qū)動(dòng)脈沖管制冷機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)優(yōu)化。重點(diǎn)優(yōu)化了慣性管的長度和內(nèi)徑以及連接管的長度，同時(shí)也對熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的諧振管以及工作壓力進(jìn)行了優(yōu)化。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)諧振管內(nèi)徑為20mm，回?zé)崞髂繑?shù)為200，制冷機(jī)連接管長度為350m

7、m，慣性管的內(nèi)徑為2mm，長度為200mm的時(shí)候，在以2.5Mpa的氦氣為工質(zhì)，加熱功率為600W的情況下，得到了147.3K的最低制冷溫度。在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，制冷機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間安裝一個(gè)球閥對熱聲驅(qū)動(dòng)脈沖管制冷機(jī)的起振溫度具有重要影響，關(guān)閉雙向進(jìn)氣閥可顯著降低熱聲系統(tǒng)的起振溫度。采取在球閥氣閥關(guān)閉狀態(tài)啟動(dòng)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)加熱器，系統(tǒng)起振后再緩慢打開球閥的操作方式，既不影響脈沖管制冷機(jī)的正常降溫，又可實(shí)現(xiàn)較低的起振溫度，有利于利用低品位熱源作為驅(qū)