驻波发动机起振过程的数值模拟研究
发布时间：2020-04-17 02:57
【摘要】：热声发动机是一种完全没有运动机械部件的新型热力装置,它采用惰性气体作为工作介质,并且依靠低品位热源来加热系统内的气体介质,从而产生声自激振荡现象,实现热能到声能的转化。这样“绿色”的新型技术,不仅可以有效地解决化石燃料短缺造成的能源问题,而且可以从根本上避免机械部件运动过程中由于摩擦和振动产生的能量损失,在发电、制冷、液化天然气等领域具有广泛的应用前景,因此热声发动机受到国内外研究人员的广泛关注。驻波发动机的起振过程是涉及热能和声能的转化以及非线性自激振荡的复杂过程,对这一过程的理论研究有待突破,而深入研究驻波发动机的起振过程对提高驻波发动机的热声转化效率是非常重要的。驻波发动机内部的流动、传热与热力过程是高度耦合的,而计算流体动力学(CFD)又广泛地应用于流动与传热问题中。本文正是在这样的基础上,采用CFD方法对驻波发动机的起振过程进行数值模拟,通过对发动机物理模型的比拟转化建立了驻波发动机的二维几何模型。为使驻波发动机中各部件的内部区域的数据更好地连通,故采用可以实现网格平滑过渡的非结构化网格进行区域的离散。在以1.0MPa的氮气为工作介质的条件下,通过固定加热量的方式来模拟驻波发动机的起振过程,成功地观测到完整的声自激振荡过程,这可以使热声研究人员对驻波发动机的起振过程有进一步的认识。然后本文对模拟结果进行傅里叶分析发现稳定振荡时出现二次谐振的现象,最后探究了起振时间和饱和压力与加热量之间的关系以及基频与谐振管长度之间的关系,这些结论对驻波发动机的优化改进具有一定的指导意义。
【图文】：
如图 1.1-(a)所示。当火焰移动到恰当的位置时，玻璃管，当时人们称之为“歌焰”，这是人类第一次发现热声现象[6]。现由于 Higgins 管作用，，炉膛和高烟囱中的火焰偶尔会出现强振动或象[7]。世纪的欧洲，吹玻璃的工人们发现当一个热玻璃球与一根细玻璃管玻璃管的一端会发出响声[8]。之后，Sondhauss 对这一现象进行了研一现象与细玻璃管的尺寸有关而与玻璃无关，于是他把一端封闭、且能产生声振动的管称为“Sondhauss”管[9]。驻波发动机的原型ss 管，如图 1.1-(b)所示。9 年，Rijke 竖直向下放置一根两端未封闭的管，并在靠近管的下端后，也听到了响音[10]。然后他对此现象进行了深入的研究发现：是加热丝网的上下两端出现温度梯度而产生的[11]。Stirling 发动机Rijke 管，如图 1.1-(c)所示。现在，Rijke 管经常在热声教学的课堂演用[12]。
[38]，如图1.2所示。他们从结构动力学角度对板叠式回热器的工作机理进行数值模拟，通过分析模拟结果发现热声系统内谐波的出现是回热器在系统内振动时具有多种模态而产生的，这为研究回热器中声结构的特性提供了新思路。图 1.2 板叠的三维模型图Fig. 1.2 Three-dimensional model diagram of stack2017 年，浙江大学的黎明等分析了四级环路的行波发动机[39]，他们发现当采用 1.28%的 Gedeon 声直流时，发动机的热效率和卡诺效率下降幅度较大，这说明适当地抑制 Gedeon 声直流可以有效地提高行波发动机的热效率。同年，武汉工程大学理学院的田一泽等在复杂换热条件下建立了不可逆的热声热机循环模型[40]，通过有限时间热力学方法得到了功率与效率的表达式，这一结果对新型热声发动机的理论研究具有重要意义。1.2.2 热声发动机的技术发展根据系统内部的声场类型
【学位授予单位】：辽宁科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK05
【图文】：
如图 1.1-(a)所示。当火焰移动到恰当的位置时，玻璃管，当时人们称之为“歌焰”，这是人类第一次发现热声现象[6]。现由于 Higgins 管作用，，炉膛和高烟囱中的火焰偶尔会出现强振动或象[7]。世纪的欧洲，吹玻璃的工人们发现当一个热玻璃球与一根细玻璃管玻璃管的一端会发出响声[8]。之后，Sondhauss 对这一现象进行了研一现象与细玻璃管的尺寸有关而与玻璃无关，于是他把一端封闭、且能产生声振动的管称为“Sondhauss”管[9]。驻波发动机的原型ss 管，如图 1.1-(b)所示。9 年，Rijke 竖直向下放置一根两端未封闭的管，并在靠近管的下端后，也听到了响音[10]。然后他对此现象进行了深入的研究发现：是加热丝网的上下两端出现温度梯度而产生的[11]。Stirling 发动机Rijke 管，如图 1.1-(c)所示。现在，Rijke 管经常在热声教学的课堂演用[12]。
[38]，如图1.2所示。他们从结构动力学角度对板叠式回热器的工作机理进行数值模拟，通过分析模拟结果发现热声系统内谐波的出现是回热器在系统内振动时具有多种模态而产生的，这为研究回热器中声结构的特性提供了新思路。图 1.2 板叠的三维模型图Fig. 1.2 Three-dimensional model diagram of stack2017 年，浙江大学的黎明等分析了四级环路的行波发动机[39]，他们发现当采用 1.28%的 Gedeon 声直流时，发动机的热效率和卡诺效率下降幅度较大，这说明适当地抑制 Gedeon 声直流可以有效地提高行波发动机的热效率。同年，武汉工程大学理学院的田一泽等在复杂换热条件下建立了不可逆的热声热机循环模型[40]，通过有限时间热力学方法得到了功率与效率的表达式，这一结果对新型热声发动机的理论研究具有重要意义。1.2.2 热声发动机的技术发展根据系统内部的声场类型
【学位授予单位】：辽宁科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK05
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 初敏;徐旭;;Rijke管自激热声振荡的数值模拟[J];声学学报;2015年01期
2 刘益才;武f
本文编号：2630367
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