斯特林热声发动机的数值模拟研究
发布时间：2020-10-24 16:58
热声理论是一门研究由流场、声场以及热量传递转换的多物理场学科理论,而由热声理论作为支撑而兴起的热声发动机技术是近三十年来科学研究领域的一个新的热点。热声发动机相比于传统的机械发动机具有明显的优势,例如采用环保工作介质,无任何污染,符合绿色发展理念;无机械运动部件,工作可靠性高,使用寿命长;可利用低品位能源例如余热资源进行供能,有利于优化能源体系结构,提高能源的利用率。早期的热声发动机研究以纯驻波或纯行波发动机为主,但是均发现热效率低下,无法与传统的发动机相比,直到斯特林热声发动机的出现才改变了这一现状,使得热声发动机的实用化预期能够实现。但是目前来说,针对热声发动机的理论研究仍在继续,主要是热声非线性理论仍需完善,这就要求对热声系统内的声场分布特性要有更为深入的理解和认知,之前大部分的研究工作主要是针对热声一维分布特性的研究,而本文则建立起二维频域热声数学模型,更为全面地探究热声系统的特性分布情况。由于求解二维热声数学模型的分析解十分困难,故需借助计算机进行数值求解计算,本文采用有限单元法对所建立的数学模型进行数值求解。有限元法一开始多应用于结构力学的分析,后来逐渐拓展到声学以及流体力学等领域的分析当中,而今已成为研究领域应用最为广泛的数值求解方法之一。由于热声系统是多物理场耦合而成的复杂系统,因此将有限元法应用到热声数值模拟当中是一种行之有效的做法。本文采用有限元法中常用的Galerkin法将数学模型转换成加权余量方程,进而导出热声有限元数学求解模型。通过结合热声系统的实际边界条件,建立起热声有限元求解流程,最后利用matlab语言编程搭建热声有限元法求解程序框架。通过对斯特林热声发动机物理模型进行一定的简化并运行求解程序,得到了热声系统内部各个物理量二维分布特性,尤其是在管径方向的分布特性,并针对热声的几个主要部件,如谐振管、回热器进行了具体分析,并对结果中出现的一些现象做出了初步分析和阐述。
【学位单位】：辽宁科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK05
【部分图文】：
这种现象的发现也被公认为是热声学的开端[1]，而这种管子也被称为“Higgins Tube”。而在同一时期，欧洲的一个吹玻璃工人也发现了一个奇怪现象：当把加热的玻璃球放置于到中空的玻璃管上时，玻璃管道的尖端部位处有时会奇怪的声响，这其实也是由于热声原理造成的。但此后时隔七十余年，热声学才有了进一步的研究探索。1850 年，德国物理学家 Karl Friedrich Julius Sondhuass 进行了一项新的热声实验：他准备了一根一端封闭而另一端开口的玻璃管，然后用火焰加热封闭一端，这时开口端会发出声音，即产生声振荡[2]，这就是后来所谓的“Sondhauss Tube”，如图 1.1(b)所示。1859 年，荷兰物理学家 Petrus Leonardus Rijke 又对 Higgins 管进行了改造，他在垂直放置的两端开口的管道的中间某处放置了金属丝网，然后用火焰对金属丝网加热，结果发现在丝网被加热和被冷却的过程中管道中产生了很大的声响[3]，如图 1.1(c)所示，Rijke 随后对这种现象进行了定性分析，这就是著名的“Rijke振荡”，而这项实验也被许多大学用于在课堂演示。
美国研究学者 Cater 和他的学生们针对 Sondhauss 管的改进他们在原来的空管中的某一处位置上添加了一束细管，结果发显的增强，这束细管的作用其实就相当于后来比较成熟的驻波-板叠。Cater 等人的这项成果让热声界诞生了第一台有声功输年，美国 Los Alamos 实验室的 Weatley 带领他的课题小组成员行了深入研究并取得了杰出成就[24-25]，Weatley 指出利用声谐相互结合就能设计出一种全新的驻波热声发动机，经过多年的了一台被称为“Natural Engine”的驻波热机[26]。年，Weatley 的同事 Swift 教授继续对驻波热机进行研究，他设为 4.32m 的大型驻波热声发动机[27]，该热机管内径为 1270mm为 He，充气压力为 1.34Mpa，加热功率为 7KW，实验结果表630W 的声功，热效率为 9%，这项工作证明了线性热声理论对机的实际工况具有很好的适用性。
随后他们又针对负载对热机的特性影响展开研究工作。1234 56TTT冷却水抽空置换接脉管充放气TTT冷却水1 内加热棒 2 高温气库 3 外加热圈4 热声板叠 5 冷却器 6 谐振管图 1.3 对称性驻波热声发动机Fig. 1.3 The symmetric standing-wave thermoacoustic engine，美国研究人员 Garrett 和 Chen 等人首次利用太阳能聚光装热机进行加热，如图 1.4 所示，成功获得强度为 120dB 的声波阳能驱动的热声发动机，彰显了热声发动机在低品位热源利用。
【参考文献】
本文编号：2854736
【学位单位】：辽宁科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK05
【部分图文】：
这种现象的发现也被公认为是热声学的开端[1]，而这种管子也被称为“Higgins Tube”。而在同一时期，欧洲的一个吹玻璃工人也发现了一个奇怪现象：当把加热的玻璃球放置于到中空的玻璃管上时，玻璃管道的尖端部位处有时会奇怪的声响，这其实也是由于热声原理造成的。但此后时隔七十余年，热声学才有了进一步的研究探索。1850 年，德国物理学家 Karl Friedrich Julius Sondhuass 进行了一项新的热声实验：他准备了一根一端封闭而另一端开口的玻璃管，然后用火焰加热封闭一端，这时开口端会发出声音，即产生声振荡[2]，这就是后来所谓的“Sondhauss Tube”，如图 1.1(b)所示。1859 年，荷兰物理学家 Petrus Leonardus Rijke 又对 Higgins 管进行了改造，他在垂直放置的两端开口的管道的中间某处放置了金属丝网，然后用火焰对金属丝网加热，结果发现在丝网被加热和被冷却的过程中管道中产生了很大的声响[3]，如图 1.1(c)所示，Rijke 随后对这种现象进行了定性分析，这就是著名的“Rijke振荡”，而这项实验也被许多大学用于在课堂演示。
美国研究学者 Cater 和他的学生们针对 Sondhauss 管的改进他们在原来的空管中的某一处位置上添加了一束细管，结果发显的增强，这束细管的作用其实就相当于后来比较成熟的驻波-板叠。Cater 等人的这项成果让热声界诞生了第一台有声功输年，美国 Los Alamos 实验室的 Weatley 带领他的课题小组成员行了深入研究并取得了杰出成就[24-25]，Weatley 指出利用声谐相互结合就能设计出一种全新的驻波热声发动机，经过多年的了一台被称为“Natural Engine”的驻波热机[26]。年，Weatley 的同事 Swift 教授继续对驻波热机进行研究，他设为 4.32m 的大型驻波热声发动机[27]，该热机管内径为 1270mm为 He，充气压力为 1.34Mpa，加热功率为 7KW，实验结果表630W 的声功，热效率为 9%，这项工作证明了线性热声理论对机的实际工况具有很好的适用性。
随后他们又针对负载对热机的特性影响展开研究工作。1234 56TTT冷却水抽空置换接脉管充放气TTT冷却水1 内加热棒 2 高温气库 3 外加热圈4 热声板叠 5 冷却器 6 谐振管图 1.3 对称性驻波热声发动机Fig. 1.3 The symmetric standing-wave thermoacoustic engine，美国研究人员 Garrett 和 Chen 等人首次利用太阳能聚光装热机进行加热，如图 1.4 所示，成功获得强度为 120dB 的声波阳能驱动的热声发动机，彰显了热声发动机在低品位热源利用。
【参考文献】
相关期刊论文 前6条
1 李东辉;罗二仓;陈燕燕;吴张华;;气-液双作用行波热声发动机实验特性的研究[J];工程热物理学报;2013年12期
2 张晓东;余国瑶;朱尚龙;戴巍;罗二仓;;高频热声驻波发动机性能的实验研究[J];低温与超导;2008年04期
3 杨梅,罗二仓,李晓明,凌虹,胡勤国,陈国邦,吴剑峰;同轴型行波热声热机的实验研究[J];低温与超导;2002年04期
4 罗二仓;回热器的热声直流模型及其效应研究[J];工程热物理学报;2002年04期
5 韩飞，岳国森，沙家正;Rijke热声振荡的非线性效应[J];声学学报;1997年03期
6 韩飞，沙家正;Rijke管热声非线性不稳定增长过程的研究[J];声学学报;1996年04期
本文编号：2854736
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