Gedeon声直流对四级行波热声发动机性能的影响

为了研究Gedeon声直流对具有环路结构的四级行波热声发动机热效率的影响,基于热声学理论,在给定加热功率以及热声核入口参数的条件下,对不同Gedeon声直流下热声发动机内热声核进行模拟,探究Gedeon声直流对热声核的声场分布包括温度分布、体积流速振幅分布、压力振幅分布、压力与速度相位差分布、声功率分布以及总能流率分布的影响,针对Gedeon声直流对回热器以及热缓冲管内温度梯度的影响机制进行分析.结果表明,Gedeon声直流携带的能流是影响温度梯度的关键因素,给出Gedeon声直流对四级行波热声发动机热效率影响的定量评估.     

热声发动机驱动的脉管制冷机模拟及实验研究

基于回热器计算软件REGEN3.2,通过数值模拟分别研究了热声发动机的频率、输出压比、充气压力以及脉管制冷机的回热器长度对热声驱动的脉管制冷机制冷性能的影响,并预测了该台脉管制冷机的最低制冷温度为45K.实验研究了不同工质、热声发动机输出压比、声功输出装置以及脉管制冷机回热器长度对脉管制冷机性能的影响.实验结果表明,热声驱动的脉管制冷机的优化方向为提高热声发动机的输出压比、降低频率以及适当提高充气压力,这与数值模拟结果吻合较好.实验采用氮气-氦气双工质并以亥姆霍兹共鸣器作为声功输出装置和声压放大器,行波型热声发动机驱动的单级斯特林型脉管制冷机获得了65K的最低制冷温度.     

针束型回热器熵产率的分析

回热器是热声装置的关键部件,在多种具有规则流道的回热器结构中,针束型结构是综合性能最优的结构.针对针束型回热器参数优化问题,建立了以最小熵产率为目标的优化模型,研究基于不可逆性的回热器参数优化方法.通过分析工质在回热器内振荡时由于与固壁的换热和黏性扩散导致的热动力学上不可逆性,对工质在针束型回热器内运动时的熵产率进行了理论分析和数值计算.计算获得了回热器截面分布和截面平均熵产率表达式,分析了针束型回热器中不同位置截面分布熵产率的变化规律,分析了温度梯度对截面平均熵产率的影响,获得了给定特征尺寸截面平均熵产率最小时的最优频率和最优阻抗比.     

变径管对双级行波热声发动机的性能影响研究

在双级行波热声发动机的谐振管中加入变径管,并利用deltaEC(Design Environment for Low-amplitudeThermoAcoustic Energy Conversion)对其进行数值模拟分析,探究变径管在2个热声热机单元中无负载及外接负载时,对换热器间温差和回热器声功输出性能的影响.通过...     

负载阻抗对热声发动机性能影响分析

为了探索负载的阻抗特性对热声发动机性能的影响，利用线性热声理论，对驻波型热声发动机驱动阻容负载进行了数值模拟.根据模拟计算结果，分析讨论了阻容负载的阻抗对热声发动机的压力振幅、压比、速度振幅、板叠热端温度以及传递给负载的声功率等性能的影响.在模拟计算的基础上，进行了热声驱动阻容负载的初步实验.计算和实验结果表明，当负载的声阻与容抗相等时，热声发动机向阻容负载传递的声功率最大，此时，负载入口处的压力振幅和压比最小，板叠热端温度最高；阻容负载容抗越小，对应的声功率和板叠热端温度的峰值越大，而压力振幅和压比的谷值越小.     

双向进气型脉管制冷机完整线性模型

基于完整线性模型分析了双向进气型脉管制冷机的制冷机理,并考虑了回热器空体积和气库压力波动的影响.假定回热器微元内的体积流量正比于局部压力梯度,通过代数方法建立了用于分析双向进气型脉管制冷机的完整线性模型.给出了制冷量、脉管冷端流量与压力相位差及性能系数与气库体积、工作频率、小孔与回热器流导系数之比及旁通阀与回热器流导系数之比的关系表达式.考察了工作频率、气库与脉管体积比对制冷机性能的影响,得到了与试验结果一致的最优工作频率.分析结果表明,冷端相位差随双向进气阀开度的增加而减小,从理论上证实了当工作频率约为1.4 Hz时制冷机产生最大制冷量,而当工作频率约为1.0 Hz时制冷机效率最高.     

不同填料对丝网回热器性能的影响

用不同粒径的铜丝网和不锈钢丝网为填料,分别制作了6种不同的回热器（标号为R1-R6）,通过实验对它们的性能进行了考察. 研究结果表明:丝网的材料、粒径和组合方式不同,对回热器性能的影响不尽相同. 通过比较不同回热器的回热损失及综合效率发现,单段式丝网回热器R1-R3的回热损失和综合效率各有优缺点,而采用适当组合后的多段式丝网回热器R6性能最优;当回热器热端选择粒径较小的丝网及在冷端采用导热率低的填料时,可大大提高回热器的换热效率.     

变负载法研究热声发动机的声功输出特性

为提高热声发动机的驱动能力并为有效负载的设计提供参考，对一台行波热声发动机的声功输出特性进行了研究.应用变负载法，对该热声发动机的声功输出进行了精确测量.分析得到声功输出与热声发动机压比、加热功率和加热温度之间的相互影响关系.通过改变阀门开度和气库容积大小，分析了负载的阻力和空体积对声功输出和系统热效率的影响.结果表明，在输入功率为2.3 kW，充气压力为2.6 MPa，工作频率为51 Hz时，该热声发动机获得了122 W的最大声功输出.为设计与热声发动机系统具有良好匹配的热声制冷机及其他有效负载奠定了基础.     

120 Hz单级脉管制冷机理论与实验

为了研究百赫兹以上的高频回热器的特性及其对脉管制冷机性能的影响,采用回热器数值计算程序REGEN3-2对高频回热器的尺寸参数和运行参数进行优化设计,并研制出一台运行频率为120 Hz的斯特林型脉管制冷机,其无负荷制冷温度为47.8 K,在78.6 K有8.0 W制冷量.初步证明配合使用更高的充气压力、采用小水力直径的回热填料以及缩短回热器长度,能够使得回热器在百赫兹以上的高频下仍然保持较高的效率.另外,实验显示该百赫兹高频脉管制冷机能够实现快速降温,脉管方向性问题也得到较好的抑制.     

行波热声发电系统的阻抗匹配

通过系统解耦的方法和理论分析,计算行波热声发动机输出特性和直线发电机的输入特性,同时开展行波热声发电机性能的理论和实验研究.模拟发现,当发动机声功输出处阻抗实部为1.0×107~2.0×107 Pa·s/m3、阻抗虚部在106 Pa·s/m3量级内时,发动机输出声功率及热声效率高,发动机高效工作的频率约为65.5 Hz;直线电机性能受工作频率、外接负载等因素的影响,最佳工作频率约为72Hz,最优外接负载为80~200Ω;在3.16MPa的充气压力和550℃的加热温度下,该发电系统的理论发电功率达到了520W以上,最高热电效率达到了24.4%;实验中,最高电功率达到了481 W,最高热电效率达到了15.1%.数值模拟结果与实验结果基本吻合,验证了物理模型的正确性,说明该热声发电系统实现了良好的阻抗匹配.     

热声理论的研究进展

简要介绍了热声振荡的基本原理和特点,在具有偏置温差的热声核声通道中熵波和振荡流体的相互作用会产生热声效应—热声自激振荡或热声泵热.热声效应在热声热机（制冷机）、热声空调、混合物分离、太阳能利用等领域具有十分诱人的应用前景.回顾了热声理论的研究进展,主要包括热声网络模型、参数激励机理、特征时间研究、热力学优化、格子气模拟以及非线性热声理论等方面的一些最新成果.重点介绍了辛群在热声网络中的应用.系统中等温流体管道内工质运动的传输矩阵为辛矩阵,而存在温度梯度的热声回热器中气体工质微团的传输矩阵可以通过变量代换,将传输矩阵转换为辛矩阵,使整个热声系统网络传输都可用辛矩阵传输来表示.对热声理论研究的发展趋势进行了展望,提出了一些有待解决的问题和研究思路.     

热声理论的研究进展

简要介绍了热声振荡的基本原理和特点,在具有偏置温差的热声核声通道中熵波和振荡流体的相互作用会产生热声效应一热声自激振荡或热声泵热．热声效应在热声热机（制冷机）、热声空调、混合物分离、太阳能利用等领域具有十分诱人的应用前景．回顾了热声理论的研究进展,主要包括热声网络模型、参数激励机理、特征时间研究、热力学优化、格子气模拟以及非线性热声理论等方面的一些最新成果．重点介绍了辛群在热声网络中的应用．系统中等温流体管道内工质运动的传输矩阵为辛矩阵,而存在温度梯度的热声回热器中气体工质微团的传输矩阵可以通过变量代换,将传输矩阵转换为辛矩阵,使整个热声系统网络传输都可用辛矩阵传输来表示．对热声理论研究的发展趋势进行了展望,提出了一些有待解决的问题和研究思路．     

基于线性加权评价法的碟式斯特林机多目标优化

在考虑了集热器的热损失,斯特林热机的热阻、热漏和回热损失的基础上,建立了不可逆太阳能斯特林热机模型。讨论了温度比、吸热温度等参数对整个系统无量纲功率和总?效率的影响,通过线性加权评价函数方法对系统的无量纲功率和总?效率进行多目标优化。研究得出:线性加权评价法求得的最佳温比的数值范围为x_2opt＜x＜x_1opt其可使功率与总?效率达到最佳折中;通过使太阳能斯特林热机达到最佳吸热温度T_H,增大聚光比C和回热器效率ε_R,减小集热器的对换系数h和导热桥损系数k₀,可提高太阳能斯特林热机的无量纲功率与总?效率。     

Advance in research of several types of streaming of pulse tube refrigerators

The pulse tube refrigerator(PTR)is a promising small-scale cryocooler.This paper first briefly introduces the history of the pulse tube refrigerator.It has pointed out that technology improvements and theoretical developments of the pulse tube refrigerator closely relate with the internal streaming effects.Then the discovering history and classification of the streaming or DC(direct current)flow effect are summarized.It proposes for the first time that the physical significance of the streaming contains the driving mechanisms and the transport mechanisms.It demonstrates that the driving mechanisms are the asymmetry of fluid flow and temperature while the transport mechanisms are a loop or vorticity,which transmits nonlinear dissipations.The important advancements have been made over the past two decades all over the world in research of streaming of the pulse tube refrigerator including Gedeon DC flow,Rayleigh streaming,the third type of DC flow and the regenerator circulation.With regard to Gedeon DC flow,theoretical and experimental analyses have been made and different suppression methods are summarized.In the aspect of Rayleigh streaming,it mainly focuses on the analytical solution of the second-order mass flow and the research of tapered pulse tubes.In particular,limited research on the third type of DC flow and regenerator circulation is presented.The experimental measurement techniques of streaming also are summarized.Finally,this paper briefly discusses the key scientific and technical issues of the current research,and foretells the future development trends of streaming research in PTR.     

Identification of complex compliance for regenerator in thermoacoustic resonator system

In thermoacoustic system, the characteristic of complex compliance of a regenerator has a great influence on energy stored and dissipation of the whole engine. In order to investigate the performance of regenerators with different matrix geometries and materials coupled with different acoustic systems, an experimental measurement and analysis method was presented. By measuring the resonant frequency, the complex compliance and quality factor of five kinds of matrix were experimentally analyzed respectively in the system of loudspeaker-driven thermoacoustic resonator (TAR) with different lengths. The experimental results show that the real part of complex compliance of the regenerator with pin-array has a maximum value among the measured matrixes and its quality factor is the largest (28.222) with the least dissipation factor of 0.035 4. So the pin-array matrix is testified to behave more excellently on the energy conversion than other matrixes. Compared with other factors the complex compliance of a regenerator contributes more to the performance of a thermoacoustic system. Foundation item: Projects(50676068, 50576024) supported by the National Natural Science Foundation of China     

基于热声网络理论的驻波热声发动机起振模拟

为了研究驻波热声发动机的起振条件并更好地理解热声振荡的机理,采用热声网络理论对驻波热声发动机的起振过程进行模拟.从线性热声理论中的控制微分方程出发,推导出存在温度梯度的板叠传输矩阵的3种不同表达式,并通过计算对比3种计算方法的精度.根据热声网络理论,对自行设计的驻波热声发动机进行整机模拟,计算起振温度和频率随充气压力和板叠间距的变化,并与实验结果进行对比,计算的起振温度随充气压力的变化趋势与实验结果基本相同.计算结果表明：不同的充气压力应选择不同的板叠间距.对该驻波热声发动机,其最佳的板叠间距应为热渗透深度的2.20～2.30倍.     

双声源驱动热声制冷机特征时间的熵产分析

在有限时间热力学理论的基础上,对双声源驱动热声制冷机的回热器声场进行分析,以特征时间为特征参数来表征热声系统的换能效应,寻求特征时间与回热器熵产之间的最优关系以及其他因素对熵产率的影响. 结果表明:熵产率随着特征时间的减少,到达一个极小点后再平缓增大,通过调节阻抗比,寻求到一个最佳阻抗比值所对应的最小熵产率, 存在一个最优特征时间使得系统的不可逆熵产最小,此时不可逆能量损失最小,有效的提高了双声源驱动热声制冷机效率,有利于双声源驱动系统运行.     

Investigation on porous frequency of regenerator of microminiature thermoacoustic refrigerator

A new method was proposed to directly measure the effective resistance and distinguish the porous frequency in the regenerator of the microminiature thermoacoustic refrigerator. Measured results were compared with the flux gain factor and transmission loss of the real system. The results show that the agreement between the range of the porous frequency and frequency of the system is good, the method can be used to predict the porous frequency of the regenerator in production.