行波型热声发动机的数值模拟实验

首次采用有限元法(FEM),对行波型热声发动机实验系统进行了数值模拟,以线性热声理论作为计算模型,且与实验系统具有相同的几何结构和运行工况,同时采用有限元方法中的加权余量法对计算模型进行求解,通过自主编写的MATLAB计算程序,对热声系统进行一系列的迭代计算,计算结果成功观测到了行波型热声发动机系统内复杂的声场分布特性和流场特性。计算结果与实验结果的对比验证了有限元方法对行波型热声发动机模拟的有效性。     

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。     

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.     

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%.     

丝网板叠型驻波热声发动机的工作特性研究

基于线性热声理论设计并搭建了一台丝网型驻波热声发动机,采用不同目数的不锈钢丝网进行试验,考察了丝网板叠几何参数和工作压力对热声发动机工作特性的影响,实验结果和线性热声理论计算结果吻合度较好。实验发现,高目数丝网板叠更容易使系统起振,在实验范围内热声发动机采用不同板叠时的最小起振温度均发生在小充气压力下;在不同的充气压力下,存在最优目数的丝网使得发动机性能最佳。对该台热声发动机而言,最佳的丝网水利半径应为热渗透深度的4.5倍左右。     

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.     

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.     

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.     

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.     

热声制冷机网络模型中回热器H矩阵参数的测量

对热声系统的网络模型中回热器H矩阵的参数进行了分析,提出了一种H矩阵参数的测量方法。通过实验对简单圆管的无源网络进行测量,与模拟值有较好的吻合,证明实验系统是可靠的。在改变压力和频率的条件下对有源的热声制冷机回热器进行了测量和分析,模拟的结果与测量值基本上一致,流放大系数与模拟的结果偏差较大。说明热声系统是复杂的非线性系统,在线性假设前提下的热声网络模型的模拟结果会存在一定的偏差,尤其在大振幅条件下需要对网络参数进行测量和辨识,通过对网络参数的修正提高模拟的准确性。     

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。     

利用分布参数法对热声热机的模拟计算

采用分布参数法,以行波型热声发动机网络模型为例进行了数值模拟计算,计算所用模型与实验模型具有相同的结构尺寸以及运行工况。计算以线性热声理论为基础,通过MATLAB编程,成功得到了整个热声系统的压力和体积流率分布状况,继而计算出了声功流的分布。     

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。     

热声斯特林发动机热动力学特性的CFD研究——第一部分:热声自激振荡演化过程

采用商业计算流体动力学(CFD)软件Fluent6.0对热声斯特林发动机热动力学特性进行了热声自激振荡演化过程的数值模拟研究.主要研究了边界条件、初始条件和数值离散方法对模拟瞬态、可压缩、非线性的热声系统的重要影响,同时给出了两种在回热器内部建立温度梯度的方法,比较了它们对应的不同自激振荡演化过程.模拟结果表明,在高于功产生的临界温度梯度时,波动压力振幅被显著放大.本研究初步验证了该CFD研究的有效性.     

行波型热声发动机与脉冲管配合的实验研究

采用热声发动机驱动脉冲管制冷机，使彻底消除低温制冷机中的运动部件成为可能。作者研制了行波型热声发动机驱动脉中管制冷机实验台。进行三个脉冲管与行波型热声发动机的配合实验，着重研究了热端气体温度、冷端温降和压力振幅的变化规律。     

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.     

热声系统的工程优化设计

介绍了热声系统无因次化的工程优化设计数学模型,描述了热声系统的优化算法.对声驱动的热声制冷机和热声发动机两种典型的热声系统的板叠,进行了优化设计计算,得到了两系统中热声板叠的性能和效率曲线,并对影响热声系统性能或效率的因素进行了分析与讨论,优化确定了板叠的结构参数,为热声系统的工程优化设计和性能预测提供了一种有效的方法.     

行波型热声制冷机及混合工质的实验研究

行波型热声制冷机,因采用热声发动机驱动脉冲管制冷机,使消除低温制冷机中的运动部件成为可能.作者建立了行波型热声制冷机实验装置,采用氮气、氦气及其混合气进行了行波型热声发动机与脉冲管制冷机的配合实验,获得73.8℃的最大温降.着重研究了热端气体温度、压力振幅和冷端温降的变化规律.     

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。