駐波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)性能強(qiáng)化及其驅(qū)動(dòng)脈管制冷特性研究.pdf

1、熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)利用熱聲效應(yīng)把熱能轉(zhuǎn)換為聲能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、以熱能驅(qū)動(dòng)和工質(zhì)環(huán)保等突出優(yōu)點(diǎn)，與脈管制冷機(jī)耦合在一起可構(gòu)成從室溫到低溫完全沒有運(yùn)動(dòng)部件的熱驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)，是一項(xiàng)具有應(yīng)用前景的新技術(shù)。為進(jìn)一步強(qiáng)化熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出性能，進(jìn)而降低熱聲驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)的制冷溫度，本文針對(duì)以下幾個(gè)方面開展了理論和實(shí)驗(yàn)研究工作： 1．采用錐形諧振管的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究利用線性熱聲理論，對(duì)一臺(tái)采用錐形諧振管的駐波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)

2、值模擬，發(fā)現(xiàn)采用錐形諧振管可有效降低工質(zhì)氣體的速度振幅，進(jìn)而減小在諧振管中聲功率的損失；與一臺(tái)在相同頻率下工作的采用等直徑圓柱諧振管的駐波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明，在使用錐形管作為諧振管的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，諧振管中的非線性效應(yīng)得到了明顯的抑制，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)在基頻模式下穩(wěn)定運(yùn)行，壓比增大而加熱溫度降低。 2．聲壓放大器的聲學(xué)原理分析及數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究從聲學(xué)原理出發(fā)，分析得出對(duì)于一根長(zhǎng)四分之～波長(zhǎng)的理想聲壓放大器，可以在

3、其封閉端得到一個(gè)明顯高于開口端的壓比。根據(jù)線性熱聲理論的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究都驗(yàn)證了聲壓放大器對(duì)壓力波的放大作用，考慮到非理想條件下聲壓放大器內(nèi)部的各種損失，其末端壓力振幅取得最大值所對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度小于理論分析得出的四分之一波長(zhǎng)。 3．熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)RC負(fù)載的理論和實(shí)驗(yàn)研究利用線性熱聲理論對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)RC負(fù)載進(jìn)行了數(shù)值模擬，著重分析了負(fù)載阻抗對(duì)RC負(fù)載入口處和板疊熱端處各參數(shù)的影響，實(shí)驗(yàn)研究了RC負(fù)載阻抗以及平均壓力對(duì)熱聲驅(qū)動(dòng)RC

4、負(fù)載的影響。此外還進(jìn)行了帶聲壓放大器的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)RC負(fù)載的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。通過理論計(jì)算初步總結(jié)了帶聲壓放大器的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與RC負(fù)載的耦合關(guān)系，指出聲壓放大器的長(zhǎng)度對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)RC負(fù)載具有重要影響，不同長(zhǎng)度的聲壓放大器有可能會(huì)在其入口處產(chǎn)生反向的壓力振動(dòng)；當(dāng)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)向RC負(fù)載傳遞的聲功率最大時(shí)，RC負(fù)載入口處壓力振動(dòng)與速度振動(dòng)的相位差不再為-45°。 4．帶聲壓放大器的駐波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)研究采用聲壓放

5、大器作為熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與脈管制冷機(jī)的新耦合機(jī)制，有利于脈管制冷機(jī)獲得更低的制冷溫度。當(dāng)加熱功率為1.4 kW，采用長(zhǎng)3.3 m內(nèi)徑8 mm的聲壓放大器時(shí)，脈管制冷機(jī)回?zé)崞魅肟谔幍膲毫φ穹_(dá)到0.181 MPa，壓比1.152，脈管制冷機(jī)最低制冷溫度從88.6K降為79.7 K，在120 K獲得了2.436 W的制冷量。通過對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)加熱器、水冷卻器和高溫氣庫的改進(jìn)，采用長(zhǎng)3.4 m內(nèi)徑8 mm的聲壓放大器耦合新設(shè)計(jì)的U型脈管制冷機(jī)，當(dāng)加熱