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．     

耦合管道系统在热声发动机中的传输特性

为了优化热声发动机和脉管制冷机之间的匹配,在流体网络模型的基础上,结合线性热声理论,推导了三管道耦合系统的传输方程,利用DeltaE对耦合系统在不同直径和长度下的压比放大特性和入口所需声功进行了理论计算和对比.各管道采用合适的直径,在行波热声发动机上对管道耦合系统的压比放大特性进行了实验验证.采用RC负载法测量耦合系统末端的声功,研究了在末端不同阻抗下耦合系统的声功输出特性.理论预测和实验结果趋势一致.实验中采用高纯N2作为工质,当工作压力为2.20MPa时,在耦合系统末端获得了1.50的压比;在一定的输出阻抗下获得了105W的输出声功.     

热声网络理论及其在热声热机工程中的应用

介绍了热声网络的基本理论,论述了热声热机工程中网络模型的研究方法,指出了热声网络理论的发展方向.     

热声网络理论及其在热声热机工程中的应用

介绍了热声网络的基本理论，论述了热声热机工程中网络模型的研究方法，指出了热声网络理论的发展方向。     

热声系统基础实验台模拟

为了方便地研究回热器等热声关键部件在不同声场下的工作性能,寻找部件最优的结构参数及工作条件,提出一种热声基础实验平台.引入双电机实现系统中声场的可控调节,通过理论及数值计算分析系统内部声场的主要调节方式及特性,并对该方案进行初步实验验证.理论分析结果表明负载电机动质量与外接电阻是调节系统声场的主要方式,之后的数值模拟结果表明负载电机动质量对系统性能的影响大于外接电阻.通过数值优化,系统获得的最大净输出声功及热声效率分别为361 W与 39.1%.最后初步的实验结果表明所提出的实验方案可行,与数值计算趋势一致.     

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.     

热声热机换热器性能的分析

热声换热器热量传递的速率与效率直接影响着热声热机的性能. 　　耗散理论能更好地揭示换热器的传热优化特性,在热声换热器研究中引入　　耗散理论,针对顺流和逆流两种情况,计算了热声换热器的　　耗散热阻,并和最小熵产原理的结果进行了对比分析. 结果表明,在一定条件下,顺流比逆流情况下的不可逆损失要大;当换热器低温端流体的热容量小于高温端流体热容量时不可逆损失较小,结果最优.     

新型热声发动机驱动的脉管制冷机实验研究

为完全消除低温系统中的运动部件,简化低温系统结构并提高其可靠性,对自制新型热声发动机驱动的脉管制冷机系统进行了实验研究.对热声发动机的性能进行了实验分析,确定出系统充气压力和制冷机的接口位置,将一台单级小孔型脉管制冷机接到系统中.通过调节小孔阀,对脉管制冷机性能进行了优化.结果表明,以氦气为工质,在充气压力为2MPa时,发动机单独运行时最大压比达1.19,驱动单级小孔型脉管制冷机获得了119K的低温,这为热声制冷机系统应用于天然气液化奠定了良好基础.     

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.     

热机循环的时序波型分析

热声热机是一种新型热机,与经典热机一样都是一种周期性的振荡结构,依据其波动特点可分为驻波型、行波型和行、驻混合波型,从波动特性出发,分析了周期性振荡结构的热机的示功图特点,压力、体积振荡的相位决定了循环的方向和示功图的丰满程度,驻波型的热声机由于热声器件的影响而发生相位偏离,从而具有了能量的传递与转换能力;而行波型热声机也由于热声器件的影响发生相位偏移,使波动结构中具有了一定的驻波成份,经典热机中不存在纯粹的驻、行波结构,而是2种波型的混合;只是由于卡诺循环接近于驻波相位,所以示功图狭长,而斯特林、布雷顿循环接近于行波相位,所以示功图比较丰满,热声热机与经典热机一样都是行、驻混合波型,从而通过周期振荡特点以及热力学循环,为经典热机循环和热声热机循环建立起联系的桥梁．     

气-液与气体工质热声发动机性能对比

为了降低热声发动机的谐振频率并增大压比,建立采用U形谐振管的驻波型热声发动机.将液柱引入U形谐振管,与热声核部分的气体工质形成气-液耦合振动系统.采用水作为液柱,将氮气和氦气分别作为气体工质,进行气-液工质耦合振动与单纯气体工质热声发动机性能的对比实验.实验结果表明,无论氮-水还是氦-水耦合振动热声发动机系统均获得了低于8 Hz的谐振频率,气-液耦合振动系统的谐振频率明显低于单纯气体系统;采用气-液耦合振动能够获得比单纯气体系统更大的压比.采用气-液耦合振动实现的低谐振频率和大压比对于改善热声驱动脉管制冷系统在深低温区的制冷性能是有利的.     

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.     

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.     

行波热声发动机中Gedeon直流定量研究

针对行波热声发动机的环路结构可能引起声场Gedeon直流损失的问题，对热声发动机环路内的Gedeon直流进行了定量研究，从而进一步提高行波热声发动机的热效率.分析了Gedeon直流的产生和作用机理，基于线性热声理论，建立了热声回热器的简单焓流模型.利用实验测得的回热器温度数据，通过求解焓流模型，分析了Gedeon直流的规模及其对回热器温度分布的影响.结果表明，利用简单焓流模型计算得到的Gedeon直流流率与实验结果吻合较好.Gedeon直流对回热器的轴向温度分布影响显著，当Gedeon直流流率的绝对值达到2.0 g/s时回热器的轴向温度就已经严重偏离线性分布，此时回热器的效率较低.     

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     

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.