行波型热声发动机谐振管的调相作用

基于环形圈加谐振管的热声发动机的两自由度模型构思,在调相机理上开展了工作.系统分析和仿真研究表明:谐振管对于热声发动机系统不仅是决定系统工作频率、储能和稳定工况,还对行波型热声发动机的声场产生调相作用.针对不同形式的谐振管(谐振管,谐振腔和容腔),以及不同体积的容腔负载(10 L,20 L,40 L)进行仿真计算.研究不同条件下,对回热器处的压力和体积流率之间的相位调节作用及声功的影响.在此基础上,对回热器起点、中点和终点3个位置的流体微团进行分析,得到不同位置的p-V图.结果表明,谐振管的确起到调节声场相位的作用,容腔形式的谐振管更有利于回热器内声场的优化,而容腔的体积大小对回热器声场的影响不大.     

热声揩振声场相位和功流分布的实验研究

热声热机的相位和功流的分布对于负载匹配至关重要。在无负载和有负载两种情况下,对热声谐振管的声场相位和功流分布进行了测量,并与网络模拟的结果进行比较和分析。实验结果表明,相位的分布与驻波比、位置以及负载有关。     

热声谐振声场相位和功流分布的实验研究

热声热机的相位和功流的分布对于负载匹配至关重要。在无负载和有负载两种情况下 ,对热声谐振管的声场相位和功流分布进行了测量 ,并与网络模拟的结果进行比较和分析。实验结果表明 ,相位的分布与驻波比、位置以及负载有关。     

双声源驱动热声系统的理论声场重构与实验验证

搭建了一套双声源驱动热声热机实验系统,该系统包括双扬声器、谐振管、置于谐振管内的回热器和换热器等元件。利用双声源法,可实现对谐振管及回热器边界声场的任意调制,包括调节幅值(调幅)、调节相位(调相)和调节频率(调频)。在给定双声源条件下,采用双传感器法对该系统谐振管中的声场参数(包括声压、质点速度、当地声阻抗等)分布进行理论声场重构,并通过实验分析,证实了该方法在等径谐振管内非声压腹点和节点处的适用性和准确性,而在声压腹点和节点处(附近)的误差最大达到12.4%。同时,对谐振管内的声场进行了行波驻波分解,得到了谐振管中行驻波成分比例。     

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.     

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...     

采用正弦型谐振管的高频驻波热声发动机

设计了一截面积正弦变化的对称管道作为高频驻波发动机谐振管,实验研究了该发动机的工作性能与声功输出能力,并与采用等直径谐振管的实验结果进行对比.在一定加热功率下,正弦管能有效抑制系统产生的二阶谐波,提高一阶压力波动幅值并降低加热块温度.由于存在显著的非线性效应,基于经典线性热声理论的计算无法预测两种谐振管实验性能的不同,并且与实验结果偏差很大.     

热声系统内交变流动特性的数值模拟

对热声系统中交变流动的声场与流场分布进行了数值模拟,得到了热声谐振管和回热器(板叠)内的压力和速度分布及二者之间的相位关系.数值模拟表明:在谐振管内,在模拟的边界条件下,径向速度分布出现"环形效应",流动分为核心区的完全湍流流动和湍流边界层内的粘性流动;对于水力半径和粘性渗透层深度相当的热声板叠,其内速度分布逐步出现"环形效应",流动介于层流和湍流的过渡区,为过渡态流动,在流道的大部分区域压力和速度振荡的相位差趋向于π/2;对于水力半径和粘性渗透层深度之比较小的热声回热器,其内交变流动的流动特性与稳态流动的相似,速度的径向分布为抛物线形,类似于定常流动的层流速度分布.     

基于深海声影区海底反射损失的地声参数反演方法

海底的声速、密度、衰减系数等地声参数,在声场预报、目标定位中十分重要。因地声参数原位测量和海底采样在深海中实施困难,需要寻找新的方法来获取地声参数。在深海声影区环境下,直达波会随着距离的增加而逐渐消失,一次反射波及多次反射波是对深海声影区声场起重要作用的多途信号。文章首先对声影区多途达到结构进行分析,利用多次比较法得到随掠射角变化的反射损失,并对海底地声参数进行反演,然后将反演的地声参数代入声场模型得到海底反射损失,将其与实验测量结果进行比较,结果吻合较好。并通过对反演过程的散点图和后验概率进行分析,证明了反演结果的可靠性。该方法可用于深海声影区的海底地声参数的反演。     

哑铃形热声谐振器的谐振频率

热声自激振荡模态取决于声学谐振器结构形式和特征尺度。级联型热声热机依靠哑铃形谐振器来调制所需要的局部高阻抗行波声场,谐振管通常由几段不同横截面的管段组成。哑铃形热声谐振器的谐振频率由共鸣腔容积、谐振管截面和长度共同决定。根据哑铃形谐振器不同截面管段内的声传播规律、共鸣腔声学边界条件以及管段间的声压和体积流率连续条件,利用行波叠加的方法,建立均匀管模型、变截面模型和热声网络模型,得到了系统谐振频率随共鸣腔容积变化和谐振管特征尺寸变化的规律。系统谐振频率的变化将引起最佳听音点的位置的移动,进一步起到调节回热器声阻抗的作用。实际热声热机实验研究中,通过改变谐振器特征尺度或结构形式调节系统的谐振频率,也是热声热机调试过程中实现自激振荡的主要手段。     

基于DeltaE程序的行波热声热机特性研究

采用DeltaE程序编程分析了行波热声热机装置(环行圈与谐振管)内的振荡压力、体积流率、温度、声功和相位等分布情况，得出装置内行波与驻波的变化趋势，并给出一定的分析和结论。     

Thermoacoustic effect of traveling-standing wave

In order to improve thermoacoustic efficiency, the thermoacoustic devices have been developed from standing wave devices to traveling wave devices. Actually, the acoustic field in practical thermoacoustic devices is neither a pure traveling wave nor a pure standing wave. The thermoacoustic effect is the hybrid effect of traveling wave component and standing wave component. Therefore, the thermoacoustic effect of traveling-standing wave will be study in this paper. Firstly, the thermoacoustic conversion performance of the traveling-standing wave are analyzes qualitatively by combining the thermoacoustic conversion performance of the traveling wave with those of the standing wave. Then, based on the basic thermoacoustic formulas, the influence of the parameters of the acoustic field and the regenerator’s structure on the thermoacoustic conversion is analyzed, and the optimum condition for the thermoacoustic conversion is discussed. The results are consistent with the qualitative analysis. Additionally, our theoretical results also show a good agreement with the experimental data [Biwa et al. Phys Rev E 2004;69(6):066304(6)], which indicates the validity of the analysis in this paper. Furthermore, the analysis in this paper further provides a more intensive understanding of these experimental results. The conclusions obtained in this paper are significant to guide for the design of new thermoacoustic devices.     

行波热声斯特林机中自激振荡的实验分析--利用相空间重构方法

一个由环形行波圈和谐振管组成的热声斯特林系统巳成功的设计和建造，本文介绍了使用声信号的时间序列来进行相空间重构，用相空间重构方法来描述和分析行波热声系统中的自激振荡，对系统的起振特性以及行波模态到驻波模态的转变进行了实验分析和研究。     

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.     

热声系统中的回热器声学特性的理论及实验研究

设计并建造了一台声驱动的热声装置,用于研究回热器的声学特性.从理论上利用相关谱分析方法(包括自相关谱与互相关谱),得到热声系统中回热器的声反射系数,复声阻抗,传播损失和回热器处的入射波与反射波相位差.并通过实验测得的压力信号分析回热器的声学特性.分析比较换热器及不同加热功率的情况下,对回热器声学特性的影响,结论有利于进一步辨识回热器模型中的未知参数.     

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。     

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％。     

Vibration of a single microcapsule with a hard plastic shell in an acoustic standing wave field

Observation techniques for measuring the small vibration of a single microcapsule of tens of nanometers in an acoustic standing wave field are discussed. First, simultaneous optical observation of a microbubble vibration by two methods is investigated, using a high-speed video camera, which permits two-dimensional observation of the bubble vibration, and a laser Doppler vibrometer (LDV), which can observe small bubble vibration amplitudes at high frequency. Bubbles of tens of micrometers size were trapped at the antinode of an acoustic standing wave generated in an observational cell. Bubble vibration at 27 kHz could be observed and the experimental results for the two methods showed good agreement. The radial vibration of microcapsules with a hard plastic shell was observed using the LDV and the measurement of the capsule vibration with radial oscillation amplitude of tens of nanometers was successful. The acoustic radiation force acting on microcapsules in the acoustic standing wave was measured from the trapped position of the standing wave and the radial oscillation amplitude of the capsules was estimated from the theoretical equation of the acoustic radiation force, giving results in good agreement with the LDV measurements. The radial oscillation amplitude of a capsule was found to be proportional to the amplitude of the driving sound pressure. A larger expansion ratio was observed for capsules closer to the resonance condition under the same driving sound pressure and frequency.