热声发动机驱动阻容负载的实验研究

进行了热声发动机驱动阻容负载的实验研究,分析讨论了阻容负载中声阻和容抗对整机性能的影响.首次通过实验验证了当声阻与容抗相等时,热声发动机向阻容负载传递的声功率最大.以氦气为工质,在充气压力2.1 MPa、加热功率2 000W的条件下,采用110 cm3的气库,在1台驻波型热声发动机上获得了最大43.1 W的声功率输出.     

声学放大器对热声发动机性能的影响

对声学放大器的声功传输能力以及其对热声发动机性能的影响进行了实验研究,发现声学发大器只有在一定条件下才能提高热声发动机的输出压比,当末端阻抗减小时其放大能力也减小.声学放大器本身也是一个声学阻力部件,如果仅以负载引出功计算热声发动机的效率,声学放大器在输出端负载阻抗较大时能够提高系统热效率,当负载阻抗减小后,它将使发动机的热效率急剧降低.     

带压力放大器的驻波型热声发动机驱动RC负载

进行了驻波型热声发动机压力放大器长度对系统性能的影响的模拟及实验研究,发现压力放大器的实际最佳长度应该小于系统波长,并且受热声发动机的加热功率、工作压力和负载大小的影响;在负载声阻固定的情况下,一定范围内振动频率、加热温度、负载入口声功随着压力放大器长度的增大而增大;压力放大器可以提高负载入口声功和效率,在本实验的热声系统中接入3.45 m压力放大器后,热声发动机的效率由1.45%提高到3.32%.     

热声驱动的气-液双作用行波热声制冷机

提出了一种热声驱动的气-液双作用行波热声制冷机,对其性能进行了数值模拟分析.计算结果表明,在平均工作压力3.0 MPa,发动机定壁温加热温度440℃工况下,系统谐振频率为12.76 Hz,在-20℃制冷温度以及环境温度为27℃的情况下获得0.708 kW制冷量,整机的制冷系数(制冷量除以加热量)为0.512.在350℃、440℃以及550℃定壁温加热下,系统能够达到的最低制冷温度分别为-62.3℃、-68.3℃以及-70.8℃.系统整机相对卡诺效率在制冷温度变化范围内存在最大值.较低的发动机加热温度更有利于系统的热声转换,当发动机加热温度为350℃时,系统在-45℃制冷温度下达到25.30％最大相对卡诺效率.     

行波热声发动机的多负载声功输出特性

为进一步提高热声发动机的声功输出能力并为驱动多负载做准备，提出了热声发动机声功的多路引出方案。实验中以氮气为工质，工作压力为2．4MPa，在热声发动机环路压比稳定在1．20的情况下，从环路声容和谐振管处同时引出声功，获得了389．95W的最大声功，11．3％的最大声功输出效率以及16．0％的最大声功输出炯效率，这比单独从环路引出的最大声功和效率分别提高了51．4％，24．6％以及19．4％。     

VM型热压缩机输出特性

基于热声学理论,本文从阻抗匹配的角度,研究了Vuilleumier(VM)型热压缩机匹配负载阻抗的输出特性,揭示热压缩机输出压比、输出声功和效率随负载阻抗的变化,分析热压缩机与所接负载阻抗之间的匹配关系。采用Sage软件进行计算,对比两种不同回热器直径下热压缩机的输出特性,热压缩机输出阻抗幅值为4×108～4×109(Pa·s)/m3,阻抗相角为-60°～60°。计算结果表明,热压缩机输出声功、压比和效率随着阻抗幅值和阻抗相角的变化而显著变化:阻抗成容性负载时,阻抗幅值对输出声功的影响较明显;不同阻抗相角时,阻抗幅值对热压缩机输出压比的影响均较明显;效率随阻抗幅值和相角的变化均较明显。但热压缩机输出的声功、压比和效率不一定在同一阻抗下同时达到最优值,因此匹配设计热压缩机驱动的低温级制冷机时,应综合输出声功、压比以及效率选定合适的阻抗幅值和相角。从输出声功和压比的角度,当前两种直径的热压缩机回热器,直径为30 mm时的性能优于直径为40 mm。     

新型300Hz环路双作用热声发动机多单元串联的性能分析

对新型300 Hz质量片-膜环路双作用热声发动机的多单元结构进行了研究,详细考察了3单元、4单元、5单元、6单元结构下系统无负载和外接负载时的性能。系统无负载时,重点考察了发动机单元中核心参数的沿程分布;系统接负载时,重点考察了输出特性和最佳负载阻抗下加热功率对系统性能的影响。计算结果表明,增加环路双作用热声发动机的单元数会导致热声转换效率的降低,但能显著提高系统的输入加热功率,从而使系统获得更多的总输出声功。     

带压力放大器的驻波型热声发动机驱动RC负载的模拟研究

对驻波型热声发动机压力放大器长度对系统性能的影响进行了模拟计算,根据计算分析得知压力放大器的实际最佳长度应该小于系统1/4波长,并且受热声发动机的加热功率、工作压力和负载大小的影响;在负载的声阻固定的情况下,一定范围内振动频率、加热温度、负载入口声功随着压力放大器长度的增大而增大;压力放大器可以提高负载入口声功和效率。     

气-液耦合双作用行波热声制冷系统数值模拟研究

为解决传统热声制冷系统因采用气体谐振管导致整机效率较低的问题，本文提出一种新型气-液耦合双作用行波热声制冷系统，通过数值模拟优化了系统结构尺寸，并对其性能进行了数值模拟分析。首先，对三级气-液耦合双作用行波热声制冷系统的声功、压力及体积流幅值等重要参数的沿程分布进行了研究；然后，研究不同级数下系统的声功、热声转换效率等特性参数；最后，对比分析了各级系统的制冷量及COP随压力的变化特性。研究结果表明：在环境温度293 K、加热温度400 K、制冷温度270 K、平均压力1 MPa下，三级系统COP达到0.7，制冷量为0.78 kW，运行频率为13 Hz，系统相对卡诺效率为22.3%。系统级数增加，整机的功率密度提高，当平均压力为10 MPa时，六级系统制冷量达到最大值16.1 kW，COP为0.38。     

气-液双作用热声发动机结构参数不一致性对系统热声转换特性的影响

针对气-液双作用行波热声发动机结构参数不一致性对系统热声转换特性的影响进行了数值模拟分析,分别讨论了回热器长度、液体活塞摩擦阻力以及液体活塞质量不对称的情况下,系统热声转换特性的变化。计算结果表明,仅改变一个基本单元的一个特定的结构参数时,整个气-液双作用行波热声发动机性能参数均发生改变,并且表现出不对称性。系统结构参数的不一致性对体积流率、压力振幅、相位以及气体温度的沿程分布均有明显影响。回热器产生的净声功率受结构参数不对称性影响显著,甚至可能出现某一基本单元回热器不产生声功率或消耗声功率的情况,值得重点关注。     

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.     

Influence of buffer on resonance frequency of thermoacoustic engine

Frequency matching is of great importance to a thermoacoustically driven pulse tube refrigeration system. To compute the resonance frequency of thermoacoustic engines, the fluid impedance method is introduced. The calculations of the thermoacoustic engines with different arrangements of buffer have been carried out. The influence of the buffer arrangements and the volume on the resonance frequency as well as the acoustic power of thermoacoustic engines is also discussed.     

高频热声制冷机中的压电喇叭特性

研究建立了1台5 kHz微型热声制冷实验样机,对压电喇叭谐振系统的阻抗特性,以及频率和电压响应特性进行了实验研究.初步的实验显示,压电喇叭与驱动电源和热声谐振系统之间需要在电学和声学上进行匹配,PZT5的压电陶瓷材料发热较大,且提供的声功率较小,这些是影响微型制冷的重要因素.     

带声学放大器的行波热声发动机声阻抗特性

通过分析带有声学放大器的行波热声发电系统中直线发电机的电-力-声类比图，发现直线发电机的最佳工作状态与行波热声发动机的输出声阻抗特性相关。采用DeltaEC软件计算带有声学放大器的行波热声发动机（以下简称系统）的输出声阻抗特性。计算结果发现，输出声阻抗虚部X_a为-1×10⁷ Pa·s·m^-3时，系统的最大输出声功率545.47 W，最大热声转换效率为7.2%；当输出声阻抗虚部X_a在-3.9×10⁶~-1×10⁷ Pa·s·m^-3之间变化，实部R_a在1.37×10⁶~2.31×10⁷ Pa·s·m^-3之间时，等效位移在1.89~6 mm之间变化，符合直线发电机的位移要求；结合输出声阻抗对压力与体积流率的相位差及系统工作频率的影响，发现声阻抗实部R_a应在1.37×10⁶~2.31×10⁷ Pa·s·m^-3之间，声阻抗虚部X_a在-7.5×10⁶~-1.0×107 Pa·s·m^-3之间时，系统具有较好的工作状态。     

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。