高频行驻波型热驱动热声制冷机的理论及实验研究

论文摘要

随着热声研究的发展,为了提高热声转换效率,热声热机从驻波型发展到行波型。然而,实际热声热机系统不可能工作于纯行波或纯驻波模态,而是工作于行驻波模态。到目前为止,大部分研究者在研究热声热机时,仍基于行波或驻波的分析,极少有从行驻波的角度对实际热声系统中行驻波模态进行研究,更没有基于行驻波分析的热驱动热声制冷机的研究。正是因为这样,本文开展了行驻波型热驱动热声制冷机的理论和实验研究,以全新角度去认识和研究热声热机:基于波动理论,从行驻波的角度深化热声学的理论研究,提炼出了新的无因次参数,提出了行驻波热声效应的分析方法和回热器综合优化的方法,进一步丰富和完善了热声理论。基于优化分析的结论,提出并研制了行驻波型热驱动热声制冷机,推动热声热机的发展。为此,开展了以下几个方面的理论和实验的研究工作:1.对现有的线性热声理论进行了总结分析,并引入行驻波的概念,对热声热机声场进行行驻波分解。在此基础上,权衡速度、精度和易于使用等条件开发了“小振幅热声热机可视化仿真软件”,并使用该软件建立了行驻波型热驱动热声制冷机的数值模型。然后对行驻波型热驱动热声制冷机的回热器、热缓冲管、声功回收管和谐振管等元部件的结构参数以及系统的运行参数进行了优化计算。2.基于波动理论,对声场进行行驻波分解,给出了行驻波声场关键参数的无量纲表达式,提炼出了声场特性集成化参数。该集成化参数是声场中的关键参数（振荡压力、振荡速度、特征声阻抗、压流相位差和时均声能密度）集成化的体现,同时也反应了各个声场中关键参数之间的相互关系。结合这两个集成化参数,分析了行驻波声场的分布特性,分析表明,随着行波成分的增加,虽然行波相位区长度增加,但是行波相位区当地声阻抗减小。因此,在设计热声热机时,应综合考虑行波相位区的长度和行波相位区的阻抗来选择合适的行波比率。另外,在行波比率相同的行驻波声场中,时均声能密度各处相等。3.为了分析行驻波声场中的热声效应,提出了两种分析方法:数学公式分析和定性分析。两种分析方法的结论一致:对于热声发动机,为了提高声功增益和效率,回热器高温端应该靠近压力腹点,并且行波传播方向与温度梯度方向一致,使得发动机回热器中行波成分和驻波成分均实现热到声的转换;对于热声制冷机,为了提高制冷量和制冷系数,回热器高温端应该靠近压力腹点,并且行波传播方向与温度梯度方向相反,使得制冷机回热器中行波成分和驻波成分均将热量由低温端泵送到高温端。4.根据对行驻波声场中热声效应的分析,在国际上首次提出了一种行驻波型热驱动热声制冷机系统:该系统包含一个热声发动机和一个热声制冷机,前者为后者的驱动源。发动机和制冷机均位于一个环形圈中,并与一个谐振管相耦合,其优点为:（1）有效利用了声波中行波成分和驻波成分共同作用的热声效应;（2）由发动机产生的声功直接进入制冷机进行泵热;（3）使用声功回收管和声功反馈管将制冷机使用后的残余声功,反馈到发动机进行再次利用;（4）发动机和制冷机布置在同一个环形圈内,并且环形圈耦合谐振支路的结构使系统总长接近1/4波长,有效的减小了系统长度,使系统结构紧凑。研制的高频行驻波型热驱动热声制冷机总长不到1m,在以氦气为气体工质,充气压力为2.2MPa,工作频率为234Hz,加热量为300W时,实现了-30°C的无负载温度,并且在0°C时可以提供40W的制冷量。5.从基本热声公式出发,提炼出了行驻波声场参数、回热器结构参数以及热声热机性能参数的无因次表达式,并通过这些无因次参数的分析,结合声场集成化参数,提出了一种综合优化热声热机的全新的优化分析方法。该方法结合了回热器结构参数和声场参数,并考虑了各个参数之间的相互制约关系,对热声热机的性能进行了全面的优化分析。分析结果能帮助理解已存在热声热机的最优实验工况,同时对设计新型热声热机提供了理论指导。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 热声效应机理
• 1.3 热声效应的发现
• 1.4 热声理论的研究进展
• 1.5 热声技术的研究进展
• 1.5.1 热声发动机的发展
• 1.5.1.1 驻波热声发动机的发展
• 1.5.1.2 行波热声发动机的发展
• 1.5.1.3 串级热声发动机的发展
• 1.5.2 热声制冷机的发展
• 1.5.2.1 电驱动型热声制冷机的发展
• 1.5.2.2 热驱动型热声制冷机的发展
• 1.6 本论文研究的主要问题及思路
• 1.7 本文的主要工作
• 第二章 小振幅热声热机可视化仿真软件设计
• 2.1 引言
• 2.2 热声系统仿真基本方程
• 2.2.1 假设前提
• 2.2.2 热声基本方程
• 2.2.3 总能流
• 2.2.4 声功流
• 2.2.5 热流
• 2.2.6 行驻波分解
• 2.3 数值计算方法的选择
• 2.3.1 Runge-Kutta 法
• 2.3.1.1 Runge-Kutta 法基本思想
• 2.3.1.2 三四阶Runge-Kutta 法
• 2.3.2 Powell 算法
• 2.3.2.1 Powell 算法基本思想
• 2.3.2.2 修正Powell 算法
• 2.4 编程语言的选择
• 2.5 数值仿真程序设计
• 2.6 可视化界面设计
• 2.7 模拟计算
• 2.8 存在的主要问题
• 2.8.1 湍流计算
• 2.8.2 交变流动作用下回热器和换热器模型计算
• 2.8.3 非线性因素的影响
• 2.9 本章小结
• 第三章 行驻波声场分析
• 3.1 引言
• 3.2 无量纲公式
• 3.3 声场参数相互关系分析
• 3.4 压力场分析
• 3.5 反行波混合声场分析
• 3.6 声场能量分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 行驻波热声效应分析
• 4.1 前言
• 4.2 公式分析
• 4.2.1 热流
• 4.2.2 声功
• 4.2.3 热声制冷机相对卡诺制冷系数
• 4.2.4 热声发动机相对卡诺效率
• 4.3 定性分析
• 4.3.1 驻波模态
• 4.3.2 行波模态
• 4.3.3 行驻波模态
• 4.4 本章小结
• 第五章 行驻波型热驱动热声制冷机的设计
• 5.1 引言
• 5.2 方案设计
• 5.3 系统基本声场和能流分布
• 5.4 系统内热声元件的优化设计
• 5.4.1 回热器的优化
• 5.4.1.1 发动机回热器
• 5.4.1.2 制冷机回热器
• 5.4.2 其它热声元件
• 5.5 运行参数对于系统性能的影响
• 5.5.1 高温端温度的影响
• 5.5.2 平均充气压力的影响
• 5.6 行驻波型热驱动热声制冷机的优化结构参数
• 5.7 本章小结
• 第六章 行驻波型热驱动热声制冷机的实验研究
• 6.1 前言
• 6.2 实验装置
• 6.2.1 回热器
• 6.2.2 换热器
• 6.2.3 发动机高温加热器
• 6.2.4 热缓冲管
• 6.2.5 容腔
• 6.2.6 回收管和反馈管
• 6.2.7 谐振管
• 6.3 数据测量及动态采集系统
• 6.3.1 实验对象
• 6.3.1.1 压力测量点的分布
• 6.3.2 测量和显示仪器
• 6.3.2.1 CY-YD-208T 型压力传感器
• 6.3.2.2 YE5853 型电荷放大器
• 6.3.2.3 OS-5020 型示波器
• 6.3.2.4 SR830 数字式锁相放大器
• 6.3.2.5 A/D 采集板
• 6.3.2.6 信号放大电路
• 6.3.2.7 热电偶温度计
• 6.3.3 直流稳压电源
• 6.3.4 动态数据采集程序
• 6.4 高频行驻波型热驱动热声制冷机实验步骤
• 6.5 系统的起振特征与分析
• 6.6 自激振荡与系统的稳定性分析
• 6.6.1 Nyquist 失稳判据
• 6.6.2 热声二端口网络参数
• 6.6.3 二端口拓扑结构
• 6.6.4 起振条件计算过程
• 6.7 系统稳定后的压力波分布及频谱图
• 6.8 实验结果与理论模型对比
• 6.9 回热器和充气压力的影响
• 6.10 加热量的影响
• 6.11 漏热计算
• 6.11.1 沿热缓冲管的轴向导热漏热
• 6.11.2 回热器壁面轴向导热漏热
• 6.11.3 回热器丝网轴向导热漏热
• 6.11.4 外表面径向漏热
• 6.11.5 加热器热辐射漏热
• 6.12 本章小结
• 第七章 热声热机回热器的综合优化
• 7.1 引言
• 7.2 无因次表达式
• 7.3 热声发动机回热器优化
• 7.3.1 水利半径和声场的优化
• 7.3.1.1 声功
• 7.3.1.2 相对卡诺效率
• 7.3.2 操作因子的优化
• 7.3.2.1 驻波型热声发动机
• 7.3.2.2 行波型热声发动机
• 7.4 热声制冷机回热器优化
• 7.4.1 水利半径和声场的优化
• 7.4.1.1 制冷量
• 7.4.1.2 相对卡诺制冷系数
• 7.4.2 操作因子的优化
• 7.4.2.1 驻波型热声制冷机
• 7.4.2.2 行波型热声制冷机
• 7.5 本章小结
• 第八章 全文总结
• 参考文献
• 附录1 作者在攻读博士学位期间发表的论文
• 附录2 作者在攻读博士学位期间获得的奖励
• 致谢