热声斯特林发动机热动力学特性的CFD研究第二部分:热声转换特性及热声声流的研究

研究了热声斯特林发动机的声场特性和热力特性,计算了波动压力和体积流率振幅及两者的相位差、截面平均温度以及声功流在系统内的沿程分布,与实验及预期的趋势相符合.对热声斯特林发动机内部的Gedeon声直流进行了研究.通过监测系统内截面的质量流率周期分布特性观测到Gedeon直流的存在,计算了直流量的大小及在系统内的分布特性,并采用风扇模型抑制了直流,给出了直流抑制过程中的系统性能变化.进一步验证了CFD研究的有效性.     

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。     

热声发动机压力特性研究

热声发动机压力特性主要体现在压力波形、相位、压比、压力振幅以及振荡频率等方面,是衡量热声发动机性能的重要依据之一.实验研究了加热温度、充气压力、谐振管长度、工质种类、负载等对压比、压力振幅、频率等压力特性的影响,为更好地进行热声发动机的设计和应用奠定了基础.     

行波热声发动机中平板与丝网回热器的对比实验研究

制作出了一个平板回热器,将其置入行波热声发动机中与丝网回热器进行对比实验研究.实验结果表明,平板回热器能够有效提高行波热声发动机的输出声功,但是其热效率有所降低.     

混合工质热声发动机起振及消振特性试验研究

基于驻波热声发动机,开展了热声发动机在不同安装倾角下起振及消振特性的试验研究。试验结果表明,热声发动机的安装倾角对热声系统的起振温度、消振温度等参数的影响程度与充注工质种类有很大关系。当系统中充注1 MPa氮气时,在试验的5种角度下,最高起振温度484℃,最低起振温度428℃。当系统充注1 MPa氦气时,热声发动机的起振温度和消振温度并无明显变化。该特性为选择合适角度和工质以降低系统起振温度提供了试验参考,并为太阳能驱动的热声发动机的设计和工质的选择提供了试验依据。     

热声发动机用声学放大器的改进研究

声学放大器是一种可显著提高热声发动机输出压力振幅和压比的装置,存在的主要问题是声功损失过大.通过理论研究,提出采用较大管径进一步提高声学放大器性能的方法,称为改进型声学放大器.实验结果表明:该声学放大器在大幅度提升输出压比的同时,没有明显降低发动机内的压比和破坏发动机内部声场,能使发动机工作在较高的品质状态.采用变负载法测量声功的实验结果也表明,改进型的声学放大器有效地解决了声功损失过大的问题.     

航空发动机风扇管道径向声模态模拟与识别技术

针对航空发动机风扇管道径向声模态模拟与测试问题,研究了径向声模态模拟技术以及径向声模态识别技术。采用基于径向排布的声源阵列形式,调节阵列预设的各扬声器幅值及相位实现径向模态声源模拟。建立声源管道下游多圈环形阵列,根据阵列位置信息构造求解模态的传递函数矩阵,运用Tikhonov正则化方法减小传递函数矩阵的条件数,从而实现径向声模态识别能力。通过理论推导和数值计算,设计风扇管道径向声模态试验装置,并在消声室进行试验验证。通过试验验证了该系统具备周向4阶以内,径向2阶以内的径向声模态模拟与识别能力。     

固体火箭发动机变截面燃烧室纵向一维声模态特性研究

建立了考虑燃烧室截面面积变化的纵向一维声振方程,有限差分数值求解纵向声模态,通过变截面燃烧室模拟试验件声模态试验验证了数值方法的准确性。研究结果表明：与等截面工况相比,变截面工况下纵向声模态频率第n阶(n>1)纵向声模态频率f_n与1阶基频f₁间倍数关系是n-1n/f₁相似文献   

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.     

定加热温度下热声发动机声功输出特性研究

对定加热温度下行波热声发动机驱动阻容负载进行了数值模拟,分析讨论了声阻和容抗对声功输出的影响。以氦气为工质,在充气压力为3 MPa、加热温度为923 K的条件下,对不同气库体积的热声系统进行了模拟;此外,还采用负体积气库模拟了阻抗虚部为正值的情况。计算结果表明,容抗值较大时,在负载相位角约为-45°(或45°)时,声功率存在一个极大值;当容抗值较小时,声功率会出现两个极大值和一个极小值,且在负载阻抗相位角约为-45°(或45°)时为极小值;此外,声功输出最大值与效率最大值对应的阻抗并不相同。     

回热器填料热声特性研究--网络模型算法的应用和验证

采用网络模型计算热声热机系统的输出声功率。对不同回热器填料以及对同种回热器在不同间距和不同振荡压力比条件下进行了数值计算，计算结果表明：在其它相同条件下，针束型回热器热机系统输出声功率比板叠回热器热机高。     

Rijke型燃烧器热声振动特性的试验研究

为研究燃烧过程中的热声振动特性,搭建了Rijke型预混燃烧器热声振动特性试验台架,并进行了化学当量Ф为0.8、1.0和1.2的三组试验研究.Rijke型预混燃烧器为直径40 mm,管长1 066 mm的不锈钢圆管,下端封闭,上端开口.致密堇青石材质的多孔介质稳燃体位于燃烧器四分之一管长处,甲烷与空气的预混气体在稳燃体上方燃烧.试验获得的燃烧温度位于611 K-943 K之间;热声振动频率在440 Hz-476 Hz之间;热声振动声压级位于131 dB-146 dB之间.试验发现,Rijke型预混燃烧器的燃烧温度在同一燃烧功率下基本一致,不受化学当量比的影响.热声振动频率随燃烧功率的增加轻微上升,不同化学当量比下振动频率的变化幅度不相同,贫燃和富燃时频率随燃烧功率的增加有较大的增加,且贫燃大燃烧功率时出现了低频大振幅振动与高频振动并存的现象.热声振动强度强烈依赖于燃烧功率和化学当量比,同一燃烧功率不同化学当量下的热声振动强度相差可达50%.     

热声回热器自激振荡特性的研究

从热动力学理论出发,定量地证明回热器的自激振荡特性为负阻尼振荡。回热器是热机系统的热声源,从外热源吸收热能补偿热机系统的能量耗散,维持系统的热声振荡。对不同的回热器填料进行比较,为回热器的填料选择提供了理论依据。     

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。     

热声热机的频率特性研究

热声效应是热声回热器与热声工质在一定的温度梯度作用下相互作用的结果,热声热机的频率是热声系统的一个重要参数,对于热声制冷机其直接决定了消耗声功而泵热的可能性.分别分析了不考虑热粘效应和考虑热粘效应时空谐振管的谐振频率,认为考虑热粘效应时,谐振频率大于不考虑热粘效应时的频率,同时分析了有温度梯度存在时的热声驱动器和热声制冷机的谐振频率,认为热声器件的存在改变了系统的频率特性,使系统的频率高于没有板叠存在时的频率.此结论对于热声制冷机的设计有重要的指导意义.     

热声谐振管非线性效应的实验研究

线性热声理论的前提条件是小振幅假设，但是，实际热声热机的工作振幅大多超出了这个假设而工作于非线性区域。因而，实际热机具有很强的非线性特点。S．karpov和Atchley等人在理论上证明了热声效应存在非线性不稳定性饱和、起振模态选择等非线性行为。作者在自行研制的驻波热声谐振管实验中观察到了以上非线性现象，本文将介绍这些实验现象，并在理论上对实验结果做出了分析和解释。     

扬声器驱动热声制冷机的频率特性研究

对电声制冷机的电声效率的影响因素及与工作频率的关系做了实验研究。实验表明,回热器长度和填料种类、位置以及谐振腔长度、工作气体等都对工作频率有影响,存在一个频率迁移,使制冷机工作在优化范围。对于扬声器参数及电声效率计算采用网络模型做了验证计算。计算结果和实验是一致的。     

热声系统起振机理的初步研究

根据气体密度、粘度和导热系数等物性参数随温度的变化规律，在对热声系统中热声转换的关键部件丝网板叠进行合理简化的基础上，给出了热声系统起振机理的一种初步解释，对进一步完善热声理论具有一定指导意义。     

缓冲器对热声机谐振频率的影响

介绍了用于计算流体管路谐振频率的流体阻抗法,并对几种带有典型缓冲器布置形式的热声机的谐振频率进行了计算,最后讨论了缓冲器对谐振频率的影响。