Gedeon声直流对热声转换效应的影响机制及其抑制方法研究
发布时间：2020-12-05 19:47
热声发动机是基于热声效应将热能转化为机械能的装置,具有运行可靠性高、寿命长以及环保性高等优点。几十年来,热声理论以及热声发动机样机的研究都已经取得了一些突破性进展。行波热声发动机由于工质微团所经历的热声转换热力循环本征可逆,理论热效率较高,是近年来热声领域的研究热点。但是行波热声发动机通常具有闭合环路结构,在环路中循环流动的Gedeon声直流是影响其热效率的一个至关重要的因素。为了探索Gedeon声直流对热声转换效率的影响机制,同时高效低损地对其进行抑制以提高系统的热效率,本文针对以下几个方面开展了理论和实验研究工作:（1）Gedeon声直流对回热器热声转换效率的影响机制与特性分析。以新晋发展的四级行波热声发动机以及双向进气型脉管制冷机为例,基于热声学理论建立了数值模型,编写了模拟计算程序,分析了 Gedeon声直流对回热器热声转换效率的影响机制。本文的研究工作着眼于Gedeon声直流所携带的能流是当地温度的函数,同时Gedeon声直流携带的能流又导致温度梯度的显著变化,本文着力揭示二者之间的相互作用,阐明了Gedeon声直流通过改变回热器中的温度分布进而影响热声转换效率的作用机制。（...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：172 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
四种典型的热声振荡春闻
接下来对行波型热声发动机的研究进展进行介绍。??行波型热声发动机的概念最早是Ｃｅｐｅｒｌｅｙ在１９７９年提出［７（）］。但是，直到１９９８年，日本??的Ｙａｚａｋｉ等人建立了一台如图１．２所示的环路行波热声发动机［７１］，自激声振荡才在环路系??统中成功的被观察到。稳定性边界条件观测表明该系统的起振温度明显低于驻波型热声??发动机。不过由于阻抗匹配的问题，该系统的热效率仍然较低，以一个大气压的空气为??工质时，仅达到了?１．０２左右压比。同时，Ｙａｚａｋｉ型回路中存在的其它问题（比如Ｇｅｄｅｏｎ??声直流和Ｒａｙｌｅｉｇｈ声值流）也是导致系统效率较低的原因。??｜ＬＤＶ｜?．ｒ?板叠??玻璃管ｊ；?ｊｉ力传感器??／?％?二?＇二??换热器??图１．２环路行波热声发动机［７１］??１９９９年，Ｂａｃｋｈａｕｓ和Ｓｗｉｆｔ对热声斯特林发动机［１２’７２］的成功研制是行波热声发动机研??究中的突破性进展，如图１．３所示。他们将回热器连同三个换热器（包括主副冷却器以及??加热器）放置在环路内的行波声场中，并将环路连接到驻波谐振管的一端，这独特的设??计保证了回热器处于行波声场并且声阻抗较高。同时，样机成功研制的重要因素还应该??归功于对于声直流（包括Ｇｅｄｅｏｎ声直流和Ｒａｙｌｅｉｇｈ声直流）的抑制。在实现回热器处高声??阻抗以及对声直流进行抑制后，该样机的热效率可达０．３?（相对卡诺效率为０．４２），其效??率足以媲美传统内燃机（０．２５？０．４）和活塞驱动的斯特林发动机（０．２０？０．３８）
中科院理化所的罗二仓等人通过对比行波或驻波模式的热声发动机认为声功流率的临界温度梯度与流道尺寸和工作介质有关，也提出了一种波声场工作的热声发动机方案［７３］，其结构与热声斯特林发动机的结构相似示。２００５年，罗二仓等人研制成了具有锥形谐振管的高压力比、能量聚焦热，通过改变谐振管的直径，抑制非线性波的产生，减少了粘性耗散。在对进行优化后，当采用１．５?ＭＰａ的氮气为工质，加热功率为３?ｋＷ（加热温度为６７现了?１．４以上的最大压比［７４，７５］。同时，戴巍等人还提出了声学放大器的概念，到热声发动机驱动脉管制冷机的研究中，在理论计算的基础上，实验证实［７５］。汤珂等人通过数值模拟和实验研究了声压放大器尺寸对驻波热声系统７６，７７］。李青等人在小型高频热声斯特林发动机方面也进行了诸多研究［７８，７９］。??
【参考文献】：
期刊论文
[1]应用于低温流体流量计的多孔板性能数值研究（英文）[J]. Hai-fei LIU,Hong TIAN,Hong CHEN,Tao JIN,Ke TANG. Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2016(03)
[2]四级环路行波热声发动机系统起振特性分析[J]. 金滔,杨睿,汤珂. 工程热物理学报. 2015(08)
[3]气-液双作用行波热声发动机实验特性的研究[J]. 李东辉,罗二仓,陈燕燕,吴张华. 工程热物理学报. 2013(12)
[4]气-液双作用行波热声发动机的数值模拟[J]. 李东辉,张丽敏,吴张华,罗二仓. 低温工程. 2012(04)
[5]弱非线性热声理论模型的建立及简化[J]. 高波,罗二仓,陈燕燕,戴巍,胡剑英,喻力弘. 工程热物理学报. 2011(08)
[6]Lumped parameter model for resonant frequency estimation of a thermoacoustic engine with gas-liquid coupling oscillation[J]. Ke TANG,Tian LEI,Xiao-gang LIN,Tao JIN,Yu ZHANG (Institute of Refrigeration and Cryogenics,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China). Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2011(03)
[7]双声源驱动热声系统的理论声场重构与实验验证[J]. 周立华,谢秀娟,李雷,李青. 低温工程. 2010(02)
[8]热声热机技术的研究进展[J]. 周远,罗二仓. 机械工程学报. 2009(03)
[9]行波热声发动机中Gedeon直流定量研究[J]. 孙大明,邱利民,王波,谭永翔. 浙江大学学报(工学版). 2007(06)
[10]自激振荡热声发动机的整机数值模拟研究[J]. 凌虹,罗二仓,戴巍,胡剑英. 声学学报. 2006(04)
博士论文
[1]热声驱动脉管制冷特性的理论与实验研究[D]. 汤珂.浙江大学 2005
[2]热声器件的寻优及其与热声热机系统的匹配[D]. 涂虬.华中科技大学 2004
本文编号：2899989
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：172 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
四种典型的热声振荡春闻
接下来对行波型热声发动机的研究进展进行介绍。??行波型热声发动机的概念最早是Ｃｅｐｅｒｌｅｙ在１９７９年提出［７（）］。但是，直到１９９８年，日本??的Ｙａｚａｋｉ等人建立了一台如图１．２所示的环路行波热声发动机［７１］，自激声振荡才在环路系??统中成功的被观察到。稳定性边界条件观测表明该系统的起振温度明显低于驻波型热声??发动机。不过由于阻抗匹配的问题，该系统的热效率仍然较低，以一个大气压的空气为??工质时，仅达到了?１．０２左右压比。同时，Ｙａｚａｋｉ型回路中存在的其它问题（比如Ｇｅｄｅｏｎ??声直流和Ｒａｙｌｅｉｇｈ声值流）也是导致系统效率较低的原因。??｜ＬＤＶ｜?．ｒ?板叠??玻璃管ｊ；?ｊｉ力传感器??／?％?二?＇二??换热器??图１．２环路行波热声发动机［７１］??１９９９年，Ｂａｃｋｈａｕｓ和Ｓｗｉｆｔ对热声斯特林发动机［１２’７２］的成功研制是行波热声发动机研??究中的突破性进展，如图１．３所示。他们将回热器连同三个换热器（包括主副冷却器以及??加热器）放置在环路内的行波声场中，并将环路连接到驻波谐振管的一端，这独特的设??计保证了回热器处于行波声场并且声阻抗较高。同时，样机成功研制的重要因素还应该??归功于对于声直流（包括Ｇｅｄｅｏｎ声直流和Ｒａｙｌｅｉｇｈ声直流）的抑制。在实现回热器处高声??阻抗以及对声直流进行抑制后，该样机的热效率可达０．３?（相对卡诺效率为０．４２），其效??率足以媲美传统内燃机（０．２５？０．４）和活塞驱动的斯特林发动机（０．２０？０．３８）
中科院理化所的罗二仓等人通过对比行波或驻波模式的热声发动机认为声功流率的临界温度梯度与流道尺寸和工作介质有关，也提出了一种波声场工作的热声发动机方案［７３］，其结构与热声斯特林发动机的结构相似示。２００５年，罗二仓等人研制成了具有锥形谐振管的高压力比、能量聚焦热，通过改变谐振管的直径，抑制非线性波的产生，减少了粘性耗散。在对进行优化后，当采用１．５?ＭＰａ的氮气为工质，加热功率为３?ｋＷ（加热温度为６７现了?１．４以上的最大压比［７４，７５］。同时，戴巍等人还提出了声学放大器的概念，到热声发动机驱动脉管制冷机的研究中，在理论计算的基础上，实验证实［７５］。汤珂等人通过数值模拟和实验研究了声压放大器尺寸对驻波热声系统７６，７７］。李青等人在小型高频热声斯特林发动机方面也进行了诸多研究［７８，７９］。??
【参考文献】：
期刊论文
[1]应用于低温流体流量计的多孔板性能数值研究（英文）[J]. Hai-fei LIU,Hong TIAN,Hong CHEN,Tao JIN,Ke TANG. Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2016(03)
[2]四级环路行波热声发动机系统起振特性分析[J]. 金滔,杨睿,汤珂. 工程热物理学报. 2015(08)
[3]气-液双作用行波热声发动机实验特性的研究[J]. 李东辉,罗二仓,陈燕燕,吴张华. 工程热物理学报. 2013(12)
[4]气-液双作用行波热声发动机的数值模拟[J]. 李东辉,张丽敏,吴张华,罗二仓. 低温工程. 2012(04)
[5]弱非线性热声理论模型的建立及简化[J]. 高波,罗二仓,陈燕燕,戴巍,胡剑英,喻力弘. 工程热物理学报. 2011(08)
[6]Lumped parameter model for resonant frequency estimation of a thermoacoustic engine with gas-liquid coupling oscillation[J]. Ke TANG,Tian LEI,Xiao-gang LIN,Tao JIN,Yu ZHANG (Institute of Refrigeration and Cryogenics,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China). Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2011(03)
[7]双声源驱动热声系统的理论声场重构与实验验证[J]. 周立华,谢秀娟,李雷,李青. 低温工程. 2010(02)
[8]热声热机技术的研究进展[J]. 周远,罗二仓. 机械工程学报. 2009(03)
[9]行波热声发动机中Gedeon直流定量研究[J]. 孙大明,邱利民,王波,谭永翔. 浙江大学学报(工学版). 2007(06)
[10]自激振荡热声发动机的整机数值模拟研究[J]. 凌虹,罗二仓,戴巍,胡剑英. 声学学报. 2006(04)
博士论文
[1]热声驱动脉管制冷特性的理论与实验研究[D]. 汤珂.浙江大学 2005
[2]热声器件的寻优及其与热声热机系统的匹配[D]. 涂虬.华中科技大学 2004
本文编号：2899989
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