热声谐振管的试验研究

热声谐振管是热声热机的关键部件,它相当于一个发动机,将热能转化为声能。对热声谐振管进行了实验研究,并对其起振温度、频率、振幅、输出功率进行测量和分析。     

热声发动机径向尺寸对谐振频率的影响

频率是热声系统中最为关键的参数,小型化面临的问题是系统运行频率升高,粘性阻力损失增加。对频率展开研究的结果是谐振管的径向尺寸对热声发动机的谐振频率影响很大,通过调节谐振管的径向尺寸,可以大大降低整机的谐振频率,对于指导热声斯特林发动机的小型化具有重要的指导意义。据此得到的计算结果与实验研究的结果验证了这种方法是十分有效的,可以达到降低系统谐振频率30%以上。     

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.     

基于管内平面波分解的热声谐振管声功测量方法

提出了通过平面声波分解测量热声谐振管中单频压力波声功的方法.在该方法中,只要测量沿程两点的声压,便可将管内平面驻波声场分解为入射波和反射波两种分量.由这种分解可以求出入射波的声功和反射波的声功,二者之和决定了总声功.该方法考虑了粘性耗散和热传导带来的损失,即使在高频、高驻波比情况下也能得到准确的测量结果.由于这种平面波分解的方式可以对整个谐振管内的声场参数进行重构,与以往的双传感器声功测量方法相比,显著优点是不仅能够获得两个压力测点中点的声功,还能得到整个谐振管上沿程各点的声功,这对于分析热声系统各部分的声功耗散是非常有用的,这种方法在原理上也更易于理解.     

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。     

基于Fluent的热声异形谐振管压比研究

通过采用Fluent模拟计算的方法研究了在相同输入的情况下,不同谐振管形状对系统压比的影响.为了验证采用 Fluent 的可行性和作者编制程序的准确性,对刚性封闭直管,客性封闭直管进行了模拟,其结果与理论分析相吻合;对一实验系统进行模拟,模拟时以其中任意两个测点测量值为输入输出,将所得声场其它观察点的模拟结果与实验测量值相比较,二者符合也很好,证明了本研究方法是可行的,程序编制是正确的.在此基础之上,对不同管形结构的空谐振管进行了模拟计算,得到了不同情况下的最大输出压力,结果认为在提高压比方面渐变管优于突变管及锥形管优于直管.     

声学放大器对热声发动机性能的影响

对声学放大器的声功传输能力以及其对热声发动机性能的影响进行了实验研究,发现声学发大器只有在一定条件下才能提高热声发动机的输出压比,当末端阻抗减小时其放大能力也减小.声学放大器本身也是一个声学阻力部件,如果仅以负载引出功计算热声发动机的效率,声学放大器在输出端负载阻抗较大时能够提高系统热效率,当负载阻抗减小后,它将使发动机的热效率急剧降低.     

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.     

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...     

斯特林热声发动机的直流研究

具有环路的斯特林热声发动机引入了反馈回路,实现了行波相位的热声转换,获得了较高的热声转换效率.然而,环路的拓扑结构使得声场中直流的产生成为可能,直流的出现将严重制约热声发动机的性能.本文以温度和压力测量作为重要实验手段,研究直流与热声发动机温度分布、压比、热声转化效率之间的关系,考察了直流抑制前后系统的性能,指出有效抑制直流能大幅度提高热声发动机的性能.     

脉冲管制冷机惯性管调相能力的实验研究

为了验证脉冲管制冷机惯性管理论模型的准确性,通过修正压缩机活塞表面质量流的方法间接测量了惯性管入口质量流幅值及质量流与压力波之间的夹角.对目前脉冲管制冷机中应用较为广泛的单段惯性管加气库及双段惯性管加气库的调相能力进行了测量,并将测量值与简化湍流热声模型计算结果进行了比较.所测单段和双段惯性管阻抗幅值及相位角随内径及长...     

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.     

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.     

行波型热声发动机与脉冲管配合的实验研究

采用热声发动机驱动脉冲管制冷机，使彻底消除低温制冷机中的运动部件成为可能。作者研制了行波型热声发动机驱动脉中管制冷机实验台。进行三个脉冲管与行波型热声发动机的配合实验，着重研究了热端气体温度、冷端温降和压力振幅的变化规律。     

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。     

燃气驱动的热声发动机初步实验

在原有电驱动混合型热声发动机的基础上,设计建造了燃气驱动的混合型热声发动机,并进行了初步实验.以氮气为工质,在充气压力为1.2 MPa时发动机压比达到了1.29,在充气压力为2.4 MPa时得到了250.3 W的声功.通过采用弹性膜片阻断直流,在充气压力1.2 MPa时,系统最高压比达到1.34.