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。     

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。     

行波热声发动机的优化设计

对行波热声发动机进行了优化设计，对回热器内部功的损失和回热器的热漏损失进行了分析，给出了行波热声热回热器的优化结构，对于设计行波型热声发动机有非常重要的理论指导意义。     

新型热声制冷-双作用行波热声制冷机热力特性的数值模拟研究

对一种新型热声制冷系统—双作用行波热声制冷机进行了研究,设计了一台在气液双作用行波热声发动机上使用的行波制冷机,并通过数值模拟优化了制冷机的结构尺寸.在环境温度300K,制冷温度250K的条件下,新型的双作用制冷机的COP达到了2.74,相对卡诺效率接近60%,声功消耗为534W,制冷量为1464.9W.通过对传统的斯特林制冷机及不同结构的行波制冷机计算比较.结果表明:从压比、效率、制冷量等多角度考察,新型的双作用行波制冷机更适合与气液双作用行波热声发动机耦合工作.它具有潜在的高效率、热驱动及无运动部件的优点,非常有潜力成为常规制冷方式的一种替代技术.     

新型热声制冷-双作用行波热声制冷机热力特性的数值模拟研究

对一种新型热声制冷系统—双作用行波热声制冷机进行了研究,设计了一台在气液双作用行波热声发动机上使用的行波制冷机,并通过数值模拟优化了制冷机的结构尺寸。在环境温度300K,制冷温度250K的条件下,新型的双作用制冷机的COP达到了2.74,相对卡诺效率接近60%,声功消耗为534W,制冷量为1464.9W。通过对传统的斯特林制冷机及不同结构的行波制冷机计算比较。结果表明:从压比、效率、制冷量等多角度考察,新型的双作用行波制冷机更适合与气液双作用行波热声发动机耦合工作。它具有潜在的高效率、热驱动及无运动部件的优点,非常有潜力成为常规制冷方式的一种替代技术。     

行波热声发动机中平板与丝网回热器的对比实验研究

制作出了一个平板回热器,将其置入行波热声发动机中与丝网回热器进行对比实验研究.实验结果表明,平板回热器能够有效提高行波热声发动机的输出声功,但是其热效率有所降低.     

高效热致声发动机的新方案探索及其热力分析

讨论了热声发动机在驻波和行波两种不同工作状态下, 其声功率产生的临界温度梯度与流道尺寸和工作介质的关系, 提出了基于行波工作模式的热声发动机新方案。     

热声斯特林热机中行波圈子系统特性的实验研究

行波圈是热声斯特林型发动机的一个主要的子系统，行波圈的基本属性对热声斯特林型发动机的整机稳定性和效率有着决定性的影响。单独对行波圈子系统的基本属性进行了理论和实验研究，通过改变回热器阻抗、平均压力和输入功率等控制参数，对单独行波圈环路内声场分布进行了详细研究，并且对有无谐振管情况进行了对比和分析。在理论上对行波圈的基本属性以及和谐振管的匹配进行了分析和讨论，并得出了一些有意义的结论。     

新型300 Hz环路双作用热声发动机单元不一致性对系统性能的影响

对新型300Hz环路双作用热声发动机进行了模拟,考察了单元参数不一致性对无负载及外接负载系统性能的影响。首先,考察了加热功率、质量块质量、膜阻尼、回热器孔隙率的不一致性对无负载系统的影响。结果表明,单个单元的不一致性会导致三个单元的性能参数均受到影响而呈现出工作状态的不一致,且存在复杂的耦合影响,不利于一致负载的接入。其次,重点考察了质量块质量和负载阻抗的不一致性对外接负载系统的影响。结果表明,不一致性会导致单个单元性能参数高于或者低于三台一致时的情况,但是整体系统的性能呈下降趋势。     

大型多功能热声发动机的研制及初步实验 第二部分:热声发动机的初步实验

行波热声发动机在回热器中进行的是可逆热声转换过程,理论上可以更高效地产生和传输声功,因而具有广阔的研究应用前景.对自行研制的大型多功能热声发动机进行了初步实验,着重研究了系统的起振、消振过程及压力波动情况.实验结果表明,该热声发动机比纯驻波型热声发动机具有更低的起振温度、更大的压比及更高的热声转换效率.以氮气为工质,在充气压力为9×105 Pa的条件下,该热声发动机最大压比达1.21,工作频率为25 Hz,这是当前国际上处于前列的实验结果.     

热声热机的网络模型与仿真研究

介绍了热声热机的网络模型和其仿真计算方法。所开发的计算程序能预测热声系统的声场、回热器等元件及系统的阻抗、以及包括制冷量、制冷温度、热流、声功和ＣＯＰ等的性能参数。本模型的仿真研究将为热声系统的优化设计提供前提和依据。     

回热器工作的热声机理

从热致声的瑞利判据出发，给出了回热器工作的数学模型。据此分析证明了回热器不仅是逆流换热器，而且也是一个热声转换部件，即在纵向声波与横向热量波动的耦合下，可以实现热致声或声泵热或声输热。给出了在理想流体条件下，控制声场条件以调节或控制横向温差，从而改变回热器工作模式的原则方法。进而指出，对于用实际耗散流体的实际回热器，由耗散性质所造成的热声效应截面分布是回热器工作性能的另一决定因素。     

压比对回热器性能影响的理论分析

采用谐波分析法,对回热器进行了模拟.针对热声发动机与线性压缩机输出压力波特性的不同,分析了输入压比对回热器性能的影响.计算了给定输入声功率、不同输入压比条件下回热器的优化尺寸,可为脉管制冷机回热器的优化设计提供参考.     

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.     

Effect of RC load on performance of thermoacoustic engine

Based on linear thermoacoustics, a symmetric standing-wave thermoacoustic engine connected with an acoustic resistance and acoustic compliance (RC) load was simulated to study the effect of the load impedance on the performance of the thermoacoustic engine. Experiments were performed to verify the simulation. Both the simulation and the experimental results show that there is a non-monotonic variation of the acoustic power delivered to the load with the acoustic resistance of the load and a maximal acoustic power may be obtained when the acoustic resistance equals to its compliance impedance. And a lower compliance impedance of RC load may lead to a higher acoustic power delivered to the load.     

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。     

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.     

An approach for estimating acoustic power in a pulse tube cryocooler

Acoustic power at the cold end of regenerator is the measure of gross cooling capacity for a pulse tube cryocooler (PTC), which cannot be measured directly. Conventionally, the acoustic power can only be derived from the measurement of velocity, pressure and their phase angle, which is still a challenge for an oscillating flow at cryogenic temperatures. A new method is proposed for estimating the acoustic power, which takes use of the easily measurable parameters, such as the pressure and temperature, instead of the velocity and phase angle between the pressure and velocity at cryogenic temperatures. The ratio of acoustic powers at the both ends of isothermal components, like regenerator, heat exchangers, can be conveniently evaluated by using the ratio of pressure amplitudes and the local temperatures. The ratio of acoustic powers at the both ends of adiabatic components, like transfer line and pulse tube, is obtained by using the ratio of pressure amplitudes. Accuracy of the approach for evaluating the acoustic power for the regenerator is analyzed by comparing the results with those from REGEN 3.3 and references. For the cold end temperature range of 40–80 K, the deviation is less than 5% if the phase angle at the cold end of regenerator is around −30°. The simple method benefits estimating the acoustic power and optimizing the PTC performance without interfering the cryogenic flow field.