Rijke型热声自激振荡机理研究进展

Rijke管热致声现象自发现以来得到了广泛的研究和应用,并发展成为高效率的行波型热声热机,但其热声自激振荡机理一直没有被完全揭示清楚。热声激振条件关系到对低品位能源的利用和热声转换效率的提高,因此对自激振荡机理的研究成为热声技术的首要课题。经典线性热声理论作为对小振幅弱非线性现象的一种近似,可以粗略指导热声热机的设计,但不能解决诸如起振、声流和声压饱和等非线性问题。通过对近几十年来Rijke型热声自激振荡机理研究进展的总结,指出最近发展的几种非线性热声理论存在的局限性,并提出了未来在自激振荡机理研究方面的研究方法和研究方向。     

影响热声发动机工作频率的因素

热声发动机工作频率关系到与负载的匹配情况,是热声发动机声能输出的重要评价指标.对热声发动机的频率调节手段进行了系统分析,试验验证了部分调频方法,并运用数值模拟分析了新的调频手段.研究发现,通过改变工质类型、改变谐振管长度和直径,可以在一定程度上有效调节热声发动机的工作频率.数值模拟结果显示,发动机内气体平均温度较平均压力和回热器长度对工作频率的影响更大.     

热声热机的研究进展

对热声热机和热声脉管制冷机的发展历史和现状进行了较为全面的概述,重点阐述了热声热机和热声制冷机的理论、实验和数值仿真研究方法、研究成果,尤其对热声脉管制冷机的数值研究方法从一维数值到二维轴对称及三维数值研究模型进行较为系统的介绍。同时对热声热机的研究热点、研究方法、研究方向进行了预测,并对热声热机的三个发展方向:太阳能利用和余热利用、热声制冷系统微型化、热声驱动脉管制冷作了简要的介绍。     

热声热机数值模拟研究及其进展

随着热声理论的不断成熟,以及计算机技术、计算流体动力学和传热学的快速发展,数值模拟已成为与理论分析和实验研究相并列的三大研究手段之一。介绍了数值模拟研究的基本模型,重点综述了近年来热声热机数值模拟方面的研究成果,并在此基础上进行总结,展望了热声热机数值模拟方面今后的发展趋势。     

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。     

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。     

热声回热器内声场数值模拟研究

对热声系统板叠及其附近流域进行了声场、流场特性的数值模拟研究。通过不同计算方法的对比,网格独立性验证等确定了误差最小的二维可压缩湍流模型。模拟结果分析了典型工况下热声回热器内部的压流分布特点,观察了板叠末端涡结构的周期性,并且对比了不同周期下涡结构的变化。结果表明,在压力场达到稳定后,由于流场的粘性,使得回热器内速度场的稳定具有滞后性,两者的稳定并不同步。     

热声热机网络模型演化与机理初探

提出了热驱动的热声热机系统是一个动态的演化过程,并运用热力学网络分析方法对这个动态过程进行了实验研究,对实验结果进行了建模和分析.用参数激励机理的振荡理论分析了系统的演化过程,认为时变参数流感是系统演化的网络关键参数,提出了定量判据系统工作能力的指标调制度.     

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.     

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.     

行波型热声发动机的数值模拟实验

首次采用有限元法(FEM),对行波型热声发动机实验系统进行了数值模拟,以线性热声理论作为计算模型,且与实验系统具有相同的几何结构和运行工况,同时采用有限元方法中的加权余量法对计算模型进行求解,通过自主编写的MATLAB计算程序,对热声系统进行一系列的迭代计算,计算结果成功观测到了行波型热声发动机系统内复杂的声场分布特性和流场特性。计算结果与实验结果的对比验证了有限元方法对行波型热声发动机模拟的有效性。     

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.     

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。     

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。     

热声制冷的数值分析

采用一维平均化的方法建立了热声制冷数值模型,该模型可应用于线性和非线性范围。运用该模型对热声制冷的机理以及相对波动压力和平均充气压力对热声制冷性能的影响进行了分析。     

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.     

非线性热声热机的理论研究

以流体力学三大方程和气体状态方程为基础,建立了一维二阶非线性热声理论模型,并以该理论模型作为数学模型,采用有限元法中的加权余量法,通过编写MATLAB程序分别对行波型和驻波型热声发动机进行数值模拟,模拟计算结果成功获得了两类发动机系统内的声场特性,同时通过与线性模拟结果进行比较得到二阶量对整个系统的影响。     

热声斯特林热机起振过程的动力学分析

热声斯特林热机的起振过程是一个非稳态过程.对热声斯特林热机的起振过程的压力信号变化进行了时域、频域、拟相空间的分析.在频域以及拟相空间中,对系统演化过程的定性分析表明,系统的起振过程存在一个明显的演化过程.而对拟相空间采用最大Lyapunov数的量化结果与对真实系统的物理过程的描述之间的比较可以看出,两者能很好的相互吻合,这说明作为判定系统稳定性的最大Lyapunov数能够描述系统的起振过程.     

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。