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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

行波热声发动机末端耦合方式研究

行波热声发动机可与各种声学负载耦合,在对耦合位置的研究基础上,进一步开展负载末端耦合时行波热声发动机的性能研究.同时改变直管谐振管内径和长度,使频率恒为67.7 Hz,保证发动机环路声功转换特性一致.研究表明,当谐振管内径为120 mm时,系统性能最好;以氦气为工质,在平均压力3 MPa、加热功率2 000 W、热端温...     

大型多功能热声发动机的研制及初步实验 第一部分 热声发动机的研制

设计并制作了一台大型多功能行波热声发动机，该热声发动机长4．5m，高1．25m，设计最大输入功率5kW。它不仅可以用于行波与驻波混合型热声发动机实验，还可以单独进行行波环路实验及热声发动机驱动脉管制冷机实验。该热声发动机中没有任何运动部件，同驻波热声发动机相比起振温度低、压比大，这对低品位能源的利用具有重要意义。着重介绍该热声发动机系统的研制和测量系统的组成，相关实验结果将另文介绍。     

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％。     

斯特林热声发动机的直流研究

具有环路的斯特林热声发动机引入了反馈回路,实现了行波相位的热声转换,获得了较高的热声转换效率.然而,环路的拓扑结构使得声场中直流的产生成为可能,直流的出现将严重制约热声发动机的性能.本文以温度和压力测量作为重要实验手段,研究直流与热声发动机温度分布、压比、热声转化效率之间的关系,考察了直流抑制前后系统的性能,指出有效抑制直流能大幅度提高热声发动机的性能.     

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.     

Numerical investigation on a 300 Hz pulse tube cryocooler driven by a three-stage traveling-wave thermoacoustic heat engine

A 300 Hz pulse tube cryocooler (PTC) driven by a three-stage traveling-wave thermoacoustic heat engine (TSTHE) has been proposed and studied in this paper. In the configuration, three identical thermoacoustic heat engine units are evenly incorporated in a closed traveling-wave loop, in which three pulse tube cryocoolers are connected to the branch of each thermoacoustic heat engine. Compared with the conventional thermoacoustic heat engine which involves a traveling-wave loop and a long resonator, it has advantages of compact size and potentially high thermal efficiency. A TSTHE–PTC system was designed, optimized and studied in detail based on the thermoacoustic theory. Firstly, numerical simulation was conducted to design the system thus the optimum structure parameters of the system were obtained. With the operating condition of 4 MPa mean pressure and high working frequency, a cooling power of 7.75 W at 77 K and an overall relative Carnot efficiency of 11.78% were achieved. In order to better understand the energy conversion characteristics of the system, distributions of key parameters such as acoustic work, phase difference, dynamic pressure, volume flow rate and exergy loss were presented and discussed. Then, the coupling mechanism of the system was investigated. In addition, influence of coupling position on the system performance was further studied.     

电驱动低温空气源双作用行波热声热泵

在环境温度低于0℃时,常规空气源热泵会出现压比过高、效率和制冷量急剧下降等问题。为了解决这些问题,提出了电驱动双作用行波热声热泵技术。通过数值计算优化了该新型热泵的结构尺寸,设计出一台电驱动低温环境下运行的双作用行波热声热泵。在环境温度253 K(-20℃),泵热温度323 K(50℃)的条件下,新型热泵的制热系数达到了2.93,相对卡诺效率接近64%,泵热量为4 722.6W,压比仅为1.19。热泵多种运行工况的计算结果表明该热泵能够在效率变化较小的情况下调节泵热量的大小;环境温度和泵热温度的改变对系统的运行状态影响不大;该系统制冷时亦有不俗的表现。双作用行波热声热泵在低环境温度情况下的这些优点使其非常有潜力成为高端热泵技术。     

CFD study on Taconis thermoacoustic oscillation with cryogenic hydrogen as working gas

Taconis oscillation is a kind of typical self-excited thermoacoustic oscillation, the study of which is of great significance to reveal the thermoacoustic conversion effect and find ways to suppress self-excited oscillation in cryogenic systems. Based on computational fluid dynamics (CFD) method, the onset process of Taconis oscillation with low temperature hydrogen at atmospheric pressure as working gas is first simulated. It is shown that a standing-wave acoustic field operating at 91 Hz starts spontaneously and finally develops to a saturation state in the Taconis tube with length and inner diameter of 1 m and 0.01 m respectively. Parametric variations in both axial and radial directions of thermoacoustic field are then studied in detail. By combining the computational results with Rott’s theory, the spatial distributions of viscous dissipation, thermal relaxation dissipation, and source/sink terms of Taconis thermoacoustic oscillation are obtained quantitatively. The dissipation and source terms are found to be mainly brought forth by the traveling-wave and standing-wave components of the acoustic field, respectively.     

行波热声斯特林热机起振模态的实验研究

设计和建造了一台小型的行波热声发动机，实现了与谐振管负荷的耦和匹配。介绍了所研究的热声系统中热声振荡过程的一些实验结果和实验中观察到的两个起振模态以及模态间周期性交替变化的现象，对影响起振模态的因素进行了实验研究和分析。     

行波热声发动机加热器改进及其驱动脉管制冷机系统实验研究

对自行研制的行波型热声发动机中的核心部件加热器进行了改进.采用改进的热声发动机驱动单级小孔型脉管制冷机,以氦气为工质,在充气压力为2.2 MPa的条件下,获得了110 K的最低制冷温度.通过对实验结果的分析,着重阐明了热声发动机和脉管制冷机之间的频率匹配问题及其改进途径,为进一步深入研究指明了方向.     

A high frequency cascade thermoacoustic engine

A miniature cascade thermoacoustic engine, which consisted of one standing-wave stage and one traveling-wave stage in series, was built and tested, which length was about 1.2 m, operating at 470 Hz using helium as working gas. The cascade modeling, the simulation and the primary experimental results are described in this paper. Four different configurations of the miniature cascade thermoacoustic engines had been designed and compared. According to the analysis, the diameter ratio of stages was designed to extend the traveling-wave region, which optimized value was about 1.69. The peak-to-peak value of the acoustic pressure was predicted to arrive to 3 bar at the 3 MPa mean pressure of helium when 300 W heating power was the input. The features of the engine were predicted delivering 68 W acoustic power with a thermal efficiency of up to 22.74% (the ratio of acoustic power to heater power). Due to careful designing, the engine self-excited the oscillation smoothly from the first experiment. An onset temperature gradient of about 4.5 K/mm was achieved, and the peak-to-peak acoustic pressure was 48 KPa at the 2 MPa mean pressure when 200 W heating power was the input. The design computation and experimental results showed a rather good agreement between the measured and calculated pressure phasor and temperatures distributions in the cascade thermoaoustic engine.