热声发动机压力特性研究

热声发动机压力特性主要体现在压力波形、相位、压比、压力振幅以及振荡频率等方面,是衡量热声发动机性能的重要依据之一.实验研究了加热温度、充气压力、谐振管长度、工质种类、负载等对压比、压力振幅、频率等压力特性的影响,为更好地进行热声发动机的设计和应用奠定了基础.     

气-液双作用行波热声发动机的数值模拟

提出了一种兼具传统热声发动机使用寿命长和斯特林发动机功率密度高等优点的气-液双作用行波热声发动机,将3台或4台热声发动机通过注有液体的U型谐振管连成气-液耦合振荡的环路,每台发动机都能工作在比较理想的行波声场。对无负载情况和外接不同负载情况下3机或4机串联成环路的气-液双作用行波热声发动机进行了模拟计算,同时模拟分析了发动机个别参数不一致时对系统性能产生的影响。     

谐振管几何形状对热声发动机工作性能的影响

谐振管作为热声发动机的重要部件之一,其几何参数的变化对热声系统的工作性能有重大影响,在驻波型热声发动机系统上对锥形谐振管和圆直谐振管进行了初步的实验对比,以探明谐振管的形状对热声发动机系统性能的影响.实验结果表明,在系统的工作频率固定在130 Hz的情况下,无论是压比、输出声功,还是相对卡诺效率,采用锥形管的系统都要比采用圆直管的系统具有更大的优势.     

环路声学共振多级行波热声发动机的机理研究

针对环路声学共振多级行波热声发动机的工作机理进行了研究,重点分析了环路声学共振4级行波热声发动机无负载工作情况,并比较了环路声学共振4级、8级、16级行波热声发动机的工作性能。计算结果表明,这一行波热声发动机具有较好的声场分布并通过增大回热器横截面积有效降低了回热器内的粘性流动损失。增加环路声学共振多级行波热声发动机的级数仍能获得较为理想的工作性能,并能够增加整机产生净声功率,降低谐振管消耗声功率的比例,相对传统带驻波谐振管的行波热声发动机更为紧凑。     

热声热机系统的测量与实验研究

对热声热机驱动耗散性负载的性能进行了实验研究和分析,对热声热机系统起振温度和谐振频率进行了测量和标定。得出导致热声发动机工作在二附谐振频率模态下的影响因素。测量和分析了气体充气压力、频率以及谐振管长度对系统驱动制冷机,产生了25℃的温差。     

新型300Hz环路双作用热声发动机的系统性能分析和输出特性

提出了一种利用质量片和弹性膜谐振的300 Hz环路双作用热声发动机。利用该谐振系统取代谐振管能有效降低系统尺寸,使发动机具有结构紧凑、能量密度高的优点。基于热声理论优化设计了这一新型发动机,系统考察了无负载和外接负载情况下主要物理参数对发动机性能的影响。当负载阻抗实部为4.15×108Pa·s/m3,虚部为-3×107Pa·s/m3,单元输入加热功率为1 k W、平均压力为4 MPa时,能获得最高的热声转换效率为35.3%、负载处压比为1.31。     

行波型热声发动机谐振管的调相作用

基于环形圈加谐振管的热声发动机的两自由度模型构思,在调相机理上开展了工作.系统分析和仿真研究表明:谐振管对于热声发动机系统不仅是决定系统工作频率、储能和稳定工况,还对行波型热声发动机的声场产生调相作用.针对不同形式的谐振管(谐振管,谐振腔和容腔),以及不同体积的容腔负载(10 L,20 L,40 L)进行仿真计算.研究不同条件下,对回热器处的压力和体积流率之间的相位调节作用及声功的影响.在此基础上,对回热器起点、中点和终点3个位置的流体微团进行分析,得到不同位置的p-V图.结果表明,谐振管的确起到调节声场相位的作用,容腔形式的谐振管更有利于回热器内声场的优化,而容腔的体积大小对回热器声场的影响不大.     

影响热声发动机工作频率的因素

热声发动机工作频率关系到与负载的匹配情况,是热声发动机声能输出的重要评价指标.对热声发动机的频率调节手段进行了系统分析,试验验证了部分调频方法,并运用数值模拟分析了新的调频手段.研究发现,通过改变工质类型、改变谐振管长度和直径,可以在一定程度上有效调节热声发动机的工作频率.数值模拟结果显示,发动机内气体平均温度较平均压力和回热器长度对工作频率的影响更大.     

修改变温热源热声发动机驱动制冷机性能

为提高环路多级行波热声发动机驱动制冷机系统在变温热源条件下的热功转换性能,使用SAGE软件对不同加热温度的子系统进行解耦计算,分析了热源温度、回热器和谐振管结构尺寸等影响因素,然后根据计算结果对整机系统进行了结构优化。结果表明:优化后整机系统内部声场行波比例上升、部分谐振管中获得了更大声阻抗幅值,但谐振管尺寸的增加增大了声功损失面积;在整机吸热量和谐振管中声功损失量都增加的情形下,整机热声转换效率和相对卡诺效率略微下降,负载制冷机获得了更多声功。     

气液耦合振动热声发动机的压力特性

采用气液耦合振动是提升热声发动机系统压力振幅以及降低谐振频率的有效方式.根据热声理论,对气液耦合振动热声发动机系统进行了模拟,重点讨论了平均工作压力对压力振幅、压比和谐振频率等性能参数的影响,分析了热声板叠产生声功率以及各部件消耗声功率随平均工作压力的变化情况.进行了相关实验,以验证模拟计算结果的合理性.模拟计算和实验数据均表明,增大平均工作压力可显著提升系统压力振幅,这对于利用其驱动后续负载是有利的.     

热声发动机径向尺寸对谐振频率的影响

频率是热声系统中最为关键的参数,小型化面临的问题是系统运行频率升高,粘性阻力损失增加。对频率展开研究的结果是谐振管的径向尺寸对热声发动机的谐振频率影响很大,通过调节谐振管的径向尺寸,可以大大降低整机的谐振频率,对于指导热声斯特林发动机的小型化具有重要的指导意义。据此得到的计算结果与实验研究的结果验证了这种方法是十分有效的,可以达到降低系统谐振频率30%以上。     

热声发动机用声学放大器的改进研究

声学放大器是一种可显著提高热声发动机输出压力振幅和压比的装置,存在的主要问题是声功损失过大.通过理论研究,提出采用较大管径进一步提高声学放大器性能的方法,称为改进型声学放大器.实验结果表明:该声学放大器在大幅度提升输出压比的同时,没有明显降低发动机内的压比和破坏发动机内部声场,能使发动机工作在较高的品质状态.采用变负载法测量声功的实验结果也表明,改进型的声学放大器有效地解决了声功损失过大的问题.     

多分支HQ管模型的传声损失分析

通过波动方程建立了多分支赫歇尔-昆克(Herschel-Quincke,HQ)管的传声损失模型,该模型可计算包含任意数量、不同管径和不同管长组合的HQ管模型。通过与前人的计算结果进行比较,验证了该方法的有效性。并通过数值计算,分析讨论了不同参数(如HQ管的长度和直径、HQ管分支数量)对多分支HQ管传声损失的影响。结果表明:在总横截面积相等的情况下,多分支HQ管吸声性能与单分支HQ管相同;改变管道的长度可以改变共振频率;比较频率平均传声损失,HQ管长度不统一的结构的声学特性优于长度统一的结构。     

Influence of resonance tube length on performance of thermoacoustically driven pulse tube refrigerator

A resonance tube is an important component of a thermoacoustic engine, which has great influence on the performance of the thermoacoustically driven pulse tube refrigerator. A standing wave thermoacoustic engine is simulated with linear thermoacoustics. Computed results show that an appropriate accretion of the resonance tube length may lead to a decrease of the working frequency and an increase of the pressure amplitude, which will improve the match between the thermoacoustic engine and the pulse tube refrigerator. The theoretical prediction is verified by experiments. A refrigeration temperature as low as 88.6 K has been achieved with an optimized length of the resonance tube, helium as working gas, and 2200 W of heating power.     

部分穿孔管消声器声学性能有限元分析

穿孔管消声器因具有良好的声学性能和较低的压力损失而被运用于消除内燃机排气噪声。通过运用有限元法研究部分穿孔消声器穿孔率、插入长度、周向和轴向穿孔分布、扩张腔直径等设计参数对消声器消声性能的影响。得到如下结论:穿孔率增大、插入长度变短会引起低频共振峰向高频方向偏移;穿孔率增大、扩张腔直径减小都会引起有效消声频率范围的拓宽;穿孔的轴向、周向分布对消声器消声性能没有影响。     

穿孔管消声器消声性能的有限元计算及分析

使用有限元法计算穿孔管消声器的传递损失,并与实验测量结果进行了比较,二者吻合良好。穿孔率 相同而孔径不同的两个穿孔管消声器的传递损失与具有相同直径和长度的简单膨胀腔消声器的传递损失比较表 明,穿孔管对消声器的低频性能影响较小,而对中频消声性能影响很大、对高频消声性能影响有限。     

采用正弦型谐振管的高频驻波热声发动机

设计了一截面积正弦变化的对称管道作为高频驻波发动机谐振管,实验研究了该发动机的工作性能与声功输出能力,并与采用等直径谐振管的实验结果进行对比.在一定加热功率下,正弦管能有效抑制系统产生的二阶谐波,提高一阶压力波动幅值并降低加热块温度.由于存在显著的非线性效应,基于经典线性热声理论的计算无法预测两种谐振管实验性能的不同,并且与实验结果偏差很大.     

Performance comparison of thermoacoustic engines with constant-diameter resonant tube and tapered resonant tube

Two standing-wave thermoacoustic engines with a constant-diameter resonant tube and a tapered one, respectively, are simulated with linear thermoacoustics to explore the reasons for performance improvement of the thermoacoustic engine with the tapered resonant tube substituting for the constant-diameter one. Computed results indicate that the viscous loss in the tapered resonant tube is much lower than that in the constant-diameter one, and the smooth joint between the tapered resonant tube and its resonant cavity may avoid the acoustic power loss derived from sharp variation of flow area. The comparison between the computed results and the experimental data indicates that the simulation can roughly predict the performance of thermoacoustic engines with these two types of resonant tubes.