行波热声发电系统热—声—电耦合及转换机理研究

发布时间：2018-12-12 00:25

【摘要】：行波热声发电系统具有效率高、可靠性高、结构简单、制造成本低以及可利用低品位热能等突出优点,可望在太阳能发电、工业废热回收、冷热电联产和分布式供能等领域获得广泛应用。行波热声发电系统为热声与机电强耦合的非线性系统,深入理解其耦合振荡和能量转换机理对于实现其稳定高效运行至关重要。然而,目前仍缺乏针对上述关键问题系统和全面的研究,热声发动机与直线发电机间的耦合匹配特性仍未清晰阐明,整机性能亟待提高。针对上述问题,本文开展了以下理论与实验研究工作： 1.发展建立了适用于行波热声系统瞬态过程模拟的时域网络模型,开展了行波热声发动机起振特性的数值模拟和实验验证。热声起振是热声领域的基础问题之一,准确模拟起振过程、预测起振温度和频率对于揭示起振机理、降低起振温度具有重要意义。本文从线性热声理论推导出了交变流动一维控制方程中的粘性和传热项,对所有声学部件均考虑声阻、声惯性、声容性以及热弛豫的声学效应,结合回热器多孔介质的时域控制方程建立了针对行波热声系统的时域网络模型。基于该模型,对行波热声发动机的起振特性进行了数值模拟,得到了动态的压力波发展过程、起振温度、频率、品质因子以及主要物理参数的分布特性。结果表明,回热器内的热弛豫效应大大增加了系统耗散,对热声起振过程具有重要影响。对起振温度、频率和品质因子的实验验证表明,该模型可较准确地预测行波热声发动机的起振特性,较好地描述了起振温度以下热声发动机内的声功产出与耗散特性。该模型便于引入机械运动部件,因而可拓展至多物理场耦合的热声系统动态特性模拟。 2.首次开展了行波热声发动机与直线发电机组成的双声源系统耦合振荡过程的数值模拟和实验研究,揭示了拍频耦合振荡的作用机制,阐明了其振荡频率的影响因素和分布规律。存在多个谐振机构的行波热声发电系统中在一定情况下会发生拍频不稳定振荡现象,使热声声源与机械振子声源间发生周期性的能量传递过程。本文将行波热声发动机的时域网络模型与直线发电机的时域动力学模型相耦合,建立了双声源系统完整的瞬态模型。采用直线发电机声源激励热声发动机声源获得了热声发动机在不同频率下的动态响应特性和频率响应曲线。计算和实验结果表明,热声发动机对于激励频率存在明显的选择性,偏离其本征谐振频率时会在激励初始阶段产生拍频现象。在此基础上,对双声源系统自由衰减中出现的拍频振荡过程进行了数值模拟和实验研究。计算和实验结果表明,拍频现象的产生源于强度相当的双声源间的博弈,所出现的两个相近的频率分别由热声声源和直线发动机声源所控制。随着加热温度上升,热声声源强度逐渐增强,从而占据主导直至系统趋向热声声源主导的频率进行声振荡。改变动质量、弹簧刚度和谐振管长度可改变拍频振荡频率但无法使拍频消失,两个频率随这三个参数的分布近似为以热声发动机和直线发电机的谐振频率线为渐近线的双曲线。该研究成果对于热声发动机与负载的匹配设计有重要的指导作用,对于实现包含多声源的复杂热声系统的工作协同性和稳定性具有重要意义。 3.完整提出了声阻抗匹配的基本原理,阐明了行波热声发电系统的匹配机理,实现了行波热声发动机与直线发电机的高效匹配。行波热声发动机与直线发电机间的匹配性对于热声发电系统的高效热-声-电转换至关重要,然而目前仍缺乏研究以最本质的声阻抗视角系统阐明其匹配机理和提出实现声学匹配的有效手段。本文基于交流功率电路的阻抗匹配原理,单独分析了热声发动机的输出声阻抗和直线发电机输入声阻抗特性,获得了各自最优运行工况对应的声阻抗需求及其调制措施,实现了两者的耦合并达到声阻抗匹配状态,完整提出了声阻抗匹配的基本思路和实现手段。结果表明,改变热声发动机声功输出位置可显著改变其输出阻抗特性,从而影响热声发电系统的匹配特性。调整直线发电机的工作频率、串联电容和负载电阻的大小可显著改变其输入声阻抗,从而可以有针对性地调整至热声发动机所需的最优声阻抗范围内,进而实现声学匹配。当以3.16MPa的氦气为工质,在谐振管处进行耦合时,该热声发电系统达到了声学匹配状态,获得了最大750.4W的电功输出和0.163的最高热电效率。该研究从本质上阐明了热声发电系统高效运行的关键因素之一为声阻抗的良好匹配,为解决热声发电系统甚至热声制冷、脉管制冷等声学系统的匹配问题指明了方向。
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【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM61

【参考文献】