气-液耦合双作用行波热声制冷系统数值模拟研究

为解决传统热声制冷系统因采用气体谐振管导致整机效率较低的问题,本文提出一种新型气-液耦合双作用行波热声制冷系统,通过数值模拟优化了系统结构尺寸,并对其性能进行了数值模拟分析.首先,对三级气-液耦合双作用行波热声制冷系统的声功、压力及体积流幅值等重要参数的沿程分布进行了研究;然后,研究不同级数下系统的声功、热声转换效率等...     

热声驱动的气-液双作用行波热声制冷机

提出了一种热声驱动的气-液双作用行波热声制冷机,对其性能进行了数值模拟分析.计算结果表明,在平均工作压力3.0 MPa,发动机定壁温加热温度440℃工况下,系统谐振频率为12.76 Hz,在-20℃制冷温度以及环境温度为27℃的情况下获得0.708 kW制冷量,整机的制冷系数(制冷量除以加热量)为0.512.在350℃、440℃以及550℃定壁温加热下,系统能够达到的最低制冷温度分别为-62.3℃、-68.3℃以及-70.8℃.系统整机相对卡诺效率在制冷温度变化范围内存在最大值.较低的发动机加热温度更有利于系统的热声转换,当发动机加热温度为350℃时,系统在-45℃制冷温度下达到25.30％最大相对卡诺效率.     

中低温声学双作用行波热声发动机热功转换性能的数值模拟研究及优化

研究了一种中低温声学双作用行波热声发动机,拟以高温导热油作为高温加热器的传热流体,高温端温度选取为390℃。基于热声学理论,对其性能进行了数值模拟,对系统结构进行了优化设计。优化结果表明,在平均工作压力为10 MPa,工作频率为50 Hz,室温为30℃的工作条件下,每个单元的输出声功达到3 162 W,整体热功转换效率达到30.3%。为了更好地了解热声发动机内的热功转换过程,分析了发动机内部声场一些主要参数的沿程分布情况。     

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。     

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.     

行波型热声发动机的试验研究

介绍了新型行波形热声发动机的试验装置,在不同的充气压力和工质条件下进行了试验,讨论了结构尺寸、充气压力、加热温度、工作介质试验结果的影响,并发现了频率跳变现象。     

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。     

直线压缩机驱动的超高温双作用行波热声热泵

提出了一种直线压缩机驱动下的高温双作用行波热声热泵流程,并以kW级别的热泵系统进行了设计和优化。在热泵热端温度为150℃,环境温度为40℃时,计算模拟了其在不同回热器结构以及不同换热器结构下的性能。得出当回热器采用板叠式回热器,换热器采用管壳式换热器时能够获得较高的效率和较大的泵热量,获得的热端泵热量可达1 823.9 W,热泵系数COP为3.16,相对卡诺效率为82.3%。在此基础上,进一步计算了热泵在不同环境温度和不同热端温度下的工作性能,以模拟工业上热泵在不同环境下的工作状况。     

行波热声发动机的实验研究进展

基于热声效应发展起来的热声发动机是一种新型的完全没有机械运动部件,可利用低品位热源的环保发动机。近年来,行波热声发动机由于热声转换效率高而受到各国学者的广泛关注。针对近十年来行波热声发动机的实验研究进展与典型样机进行了介绍,并对热声发动机的性能参数作了分析与总结,最后展望了行波热声发动机的发展趋势和应用前景。     

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。     

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。     

行波热声发电系统自激振荡的非线性动力学研究

利用非线性热声网络模型建立了一种行波热声发电系统的简化动力学演化方程,考察了系统自激振荡过程。重点探究非线性热声效应的影响,并与仅考虑线性热声效应的情况进行对比。结果表明,当仅考虑线性热声效应时,振荡曲线不断增大,无法达到稳定值;而考虑非线性热声效应时,自激振荡最后达到稳定幅值。进一步研究得出,系统电机的非线性阻尼系数越大,系统稳定后的振荡幅值越小。对不同电机非线性阻尼系数时系统产生的振荡曲线作频谱分析,计算结果和实际情况相近。最后考察了回热器未达临界温度梯度时系统的自激振荡过程。     

CFD simulation of a 300 Hz thermoacoustic standing wave engine

High frequency operation of standing wave thermoacoustic heat engines is attractive for space applications due to compact size and high reliability. To expedite practical use, further improvement and optimization should be based on deep understanding and quantitative analysis. This article focuses on using computational fluid dynamics (CFD) to investigate nonlinear phenomena and processes of a 300 Hz standing wave thermoacoustic engine (SWTE). The calculated model was tested in detail, which indicated that the co-axially stacked tube model was suitable for the simulation of SWTEs. Two methods of imposing temperature gradient across the stack were studied, and the processes of mean pressure increasing, pressure wave amplification and saturation were obtained under the thermal boundary condition of applying heating power. The acoustic fields were given, and the flow vortices and their evolution in both ends of the stack and resonator were observed. Moreover, a comparison between the simulation and experiments was made, which demonstrated the validity and power of the CFD simulation for characterizing complicated nonlinear phenomenon involved in the self-excited SWTEs.     

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％。     

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...     

带声学放大器的行波热声发动机声阻抗特性

通过分析带有声学放大器的行波热声发电系统中直线发电机的电-力-声类比图,发现直线发电机的最佳工作状态与行波热声发动机的输出声阻抗特性相关。采用DeltaEC软件计算带有声学放大器的行波热声发动机（以下简称系统）的输出声阻抗特性。计算结果发现,输出声阻抗虚部X_a为-1×10⁷ Pa·s·m^-3时,系统的最大输出声功率545.47 W,最大热声转换效率为7.2%;当输出声阻抗虚部X_a在-3.9×10⁶~-1×10⁷ Pa·s·m^-3之间变化,实部R_a在1.37×10⁶~2.31×10⁷ Pa·s·m^-3之间时,等效位移在1.89~6 mm之间变化,符合直线发电机的位移要求;结合输出声阻抗对压力与体积流率的相位差及系统工作频率的影响,发现声阻抗实部R_a应在1.37×10⁶~2.31×10⁷ Pa·s·m^-3之间,声阻抗虚部X_a在-7.5×10⁶~-1.0×107 Pa·s·m^-3之间时,系统具有较好的工作状态。     

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。