熱聲制冷機(jī)基礎(chǔ)理論的研究與應(yīng)用.pdf

1、微型化高頻熱聲制冷機(jī)的研究，是目前熱聲制冷領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本課題采用磁致伸縮換能器來驅(qū)動(dòng)熱聲制冷系統(tǒng)，是一種新型的、極具潛力的制冷方法。由于頻率升高、尺寸減小而引發(fā)了粘性損耗增大、聲場(chǎng)不匹配等眾多問題。針對(duì)這一問題，本文從研制能產(chǎn)生高聲壓振幅的諧振系統(tǒng)出發(fā)，進(jìn)行了以下熱聲制冷機(jī)微型化的應(yīng)用理論基礎(chǔ)以及實(shí)驗(yàn)研究工作：
　　(1)以線性熱聲理論為基礎(chǔ)，建立了微觀循環(huán)熱聲制冷機(jī)理的模型；確定了系統(tǒng)內(nèi)基本的聲場(chǎng)分布；運(yùn)用拉格朗日思想，將流

2、體力學(xué)三大基本方程與牛頓運(yùn)動(dòng)定律相結(jié)合，導(dǎo)出聲波動(dòng)方程。用分離變量法求解波動(dòng)方程，得到行波型聲場(chǎng)與駐波型聲場(chǎng)中的理論聲壓變化模型，進(jìn)而得出氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)速度、位移與能量隨時(shí)間的變化關(guān)系式。
　　(2)通過聲學(xué)分析軟件ATILA，研究分析不同型聲場(chǎng)中的聲壓分布，為后續(xù)分析計(jì)算板疊間氣體與固體之間的換熱提供了理論基礎(chǔ)。為熱聲制冷機(jī)微型化的實(shí)驗(yàn)工作，提供了有利的依據(jù)。
　　(3)基于線性小振幅聲場(chǎng)，探討了氣體微團(tuán)與固體板疊之間能量傳遞規(guī)

3、律，系統(tǒng)地分析了諧振腔板疊內(nèi)的熱力過程。利用物理上直觀的拉格朗日法，闡述了氣體微團(tuán)與固體板疊之間的熱量交換。通過分析一個(gè)氣團(tuán)總聲能量的變化圖，直觀地了解氣體微團(tuán)與固體板疊之間熱量交換的數(shù)值變化關(guān)系。結(jié)果表明板疊中的不同氣體微團(tuán)之間，像是一個(gè)個(gè)配合精巧、功能齊全的微型制冷機(jī)，氣體微團(tuán)通過接力作用，實(shí)現(xiàn)板疊上熱量的搬移，在低溫端得到制冷量。
　　(4)基于包含流體力學(xué)、熱力學(xué)、聲學(xué)等熱聲制冷技術(shù)理論基礎(chǔ)結(jié)合實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)，分析了壓力和溫度變

4、化的關(guān)系，為熱聲效應(yīng)的分析提供了參考。對(duì)不同位置、不同時(shí)刻的氣體波動(dòng)方程進(jìn)行離散化處理，運(yùn)用穩(wěn)態(tài)流動(dòng)理論估算了氣體與固體之間的換熱量，但是試驗(yàn)結(jié)果與理論估算值有較大誤差，表明穩(wěn)態(tài)的對(duì)流換熱理論已經(jīng)不適用于熱聲理論。
　　(5)在理論基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)室搭建了熱聲制冷機(jī)的實(shí)驗(yàn)裝置。從揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)的普通熱聲制冷機(jī)入手，分析熱聲制冷機(jī)各個(gè)部件的功能與制冷條件。揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)的熱聲制冷機(jī)，在諧振腔內(nèi)能夠產(chǎn)生高振福的聲振動(dòng)，當(dāng)氣體密度增大，則參與換熱的

5、氣團(tuán)數(shù)量增多，在固體板疊上能夠得到溫度梯度。當(dāng)聲場(chǎng)為駐波聲場(chǎng)時(shí)，諧振腔內(nèi)產(chǎn)生了一種特殊效應(yīng)，通過測(cè)量條紋的間距，找到駐波波長(zhǎng)與特殊條紋之間的關(guān)系。
　　(6)結(jié)合諧振管的管型優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以形成高聲壓振幅的諧振系統(tǒng)；聲驅(qū)動(dòng)器與諧振管達(dá)到較好的聲匹配。使用磁致伸縮換能器驅(qū)動(dòng)后，可以提供大振幅的強(qiáng)力聲源。分析內(nèi)部聲場(chǎng)的分布情況，可以找到減小管內(nèi)粘性耗散損失的方法，實(shí)現(xiàn)管內(nèi)局部聲能密度的積聚；同時(shí)進(jìn)行了各個(gè)熱聲元件的優(yōu)化設(shè)計(jì)并建立了一整套