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.     

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.     

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.     

一种新型的热声制冷机

指出了迄今为止国际上已经发明的两种热声制冷机制冷效率低下的主要原因为：它们都需要两种或多种热力学介质才能产生制冷循环,并提出了只用一种热力学介质就能产生制冷循环的新型热声制冷机的热力学模型和制冷机理。     

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.     

35K两级高频脉管制冷研究：Ⅱ.实验验证

针对空间35K温区探测器的冷却需要,结合回热器数值计算软件REGEN3.2的计算分析,自行研制了一台第二级脉管采用低温惯性管和低温气库的热耦合型两级高频脉管制冷机.实验研究了充气压力、工作频率、输入功率等对第二级脉管制冷机性能的影响.实验得到35K下最佳充气压力为1.26MPa,最佳工作频率为40Hz,从而验证了理论计算结果.实验结果表明,在充气压力为1.26MPa,工作频率为45Hz,输入功率为135W的条件下,获得了27.4K的最低无负荷制冷温度;在充气压力为1.36MPa,工作频率为40Hz,输入功率为205W的条件下,制冷机在35K获得了0.45W的制冷量.     

液氦温区双小孔型二级脉管制冷机实验研究

介绍了自行研制的二级双小孔型脉管制冷机的基本结构,着重分析了第二小孔、结构参数对制冷机性能的影响,指出了进一步改进的方向． 实验表明,采用双小孔结构的二级脉管制冷机第一、第二级最低制冷温度分别达到４６ Ｋ 和３．０ Ｋ．     

可大幅提高热声发动机压比的二级声压放大器

为进一步提高声压放大器的输出压比(波动压力的最大值与最小值之比),同时降低功耗,在理论计算的基础上提出了一种级联式声压放大器结构,并进行了实验验证.以高纯N2作工质,在充气压力为2.140 MPa、行波热声发动机加热器壁面温度为670 ℃情况下,二级声压放大器把压比从放大器入口的1.177放大到1.619,这是目前在热声发动机上达到的最大压比.与单级声压放大器相比,其最大压力振幅提高了42.79%.放大器在1.23压比下输出160 W的最大声功.并采用DeltaE对二级声压放大器进行模拟,计算结果和实验结果吻合良好.     

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.     

冷端气库型脉管制冷机性能分析

针对脉管制冷机由于没有低温下的调相部件，制冷量和效率尚需进一步提高的问题,提出了在脉管冷端增加冷端气库的新型脉管调相结构,从而将脉管低温端压力和流量相位调到最佳.该气库与脉管冷端通过管壁小孔或惯性管连接，能进一步产生与压力波同相的质量流量分量，以增强脉管制冷机的制冷性能.基于线性模型的分析结果表明，冷端气库大幅度增加了脉管制冷机的制冷量.如果冷端气库与脉管体积比大于一定值，则制冷机效率也将得到显著提高.     

液氦温区分离型脉管制冷机性能影响因素

研制了一台高效率液氦温区分离型二级脉管制冷机，采用单压缩机和单旋转阀驱动该二级脉管制冷机.在实际输入功率为6.7 kW时，第二级最低温度达到了2.5 K，在4.2 K有590 mW制冷量；同时第一级在36.7 K有15 W制冷量.制冷机在4.2和40 K 2个温度上都能提供大制冷量，可以用于替代G-M制冷机冷却超导磁体、低温泵和电子器件等.通过实验，研究并分析了不同压缩机和旋转阀时序对分离型二级脉管制冷机性能的影响.     

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．     

气动阀式脉冲爆震发动机推力因数

为了进一步研究脉冲爆震发动机(PDE)的有效推力,对影响有效推力的因数进行了研究.采用旋流式气动阀,在爆震管直径60 mm内成功实现了吸气式汽油/空气PDE的连续爆震燃烧.冷态状态下研究了PDE阻力和爆震管填充速度与冲压来流速度的关系,热态状态下研究了气动阀推力壁压力.对一个工作周期正反向推力和阻力的计算结果表明,PD...     

单管传输特性的改进模型与实验研究

为了描述单根圆形管道的传输特性,在流体网络理论的基础上,参考Rott的波动方程和Swift对紊流的修正方法,提出单管传输特性的改进模型.在模型中讨论了流动为紊流时的修正方法：当R/δv较小时,利用Swift的修正方法进行修正;当R/δv较大且修正因子n>1时,利用n对紊流进行进一步修正.为了对模型进行验证,以声压放大器这一典型的单管道为例开展了实验研究.紊流时在R/δv较小的情况下,改进模型和DeltaE的计算结果一致,与实验吻合良好;在R/δv较大的情况下,改进模型由于充分考虑了径向上的对流换热损失,其计算结果与DeltaE相比更加接近实验结果.