热声起振机理的初步研究

论文摘要

热声热机是一种新型的动力机械,它没有机械运动部件,采用惰性气体为工质,具有无污染、结构简单、可靠性高、寿命长等优点。作为热声现象中的最基本问题,热声起振机理研究吸引了越来越多学者的广泛关注。这项研究不仅有利于加深对热声现象中热功转化过程的认识,而且有利于降低系统的起振温度,从而利用低品位能源。然而到目前为止,对热声起振机理的认识还没有得到定论。本文首先回顾了最近十几年间国内外热声起振机理的研究进展,重点介绍了热声起振研究的主要理论和实验研究方法,指出了当前理论成果与实际热声过程之间存在的差距,并对热声理论研究今后的发展趋势进行了展望。在理论分析上,我们选取了独具有代表性的美国霍普金斯大学提出的非线性模型作为研究对象,建立了一套基于截面平均的准一维近似的热声发动机模型。通过对其中的动量和能量交换项进行修正,建立了一个时域的、完全非线性的模型。采用Matlab对Yuan模型进行了编程模拟,对热声起振过程中的特性进行了初步的理论研究。参照流体网络理论与非线性振荡电路理论,文中用振荡电路中的自激起振过程对热声起振过程进行了定性的解释。本文还在自行研制的混合型热声发动机系统中对起振过程进行了实验研究,通过分析起振过程的压力、频谱变化,总结出起振过程中储能、起振、饱和三个阶段的特性,分析了亥姆霍兹共鸣器对起振阶段的影响。通过与国外类似实验结果进行对比,指出了之间的共同点以及差异,为开展热声起振机理研究提供了参考。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 1 绪论
• 1.1 热声学基础
• 1.2 课题背景
• 1.3 热声起振机理的研究进展
• 1.3.1 国外研究概况
• 1.3.2 国内研究概况
• 1.3.3 研究前景
• 1.4 本文的主要工作
• 2 非线性热声模型的研究
• 2.1 Watanabe准一维模型的推导
• 2.1.1 基本控制方程
• 2.1.2 线性假设
• 2.1.3 动量和能量交换项的参数确定
• 2.2 Yuan准一维非线性模型
• 2.2.1 引入人工粘性项
• 2.2.2 Yuan的非线性模型
• 2.3 Matlab编程模拟热声起振
• 2.3.1 模拟系统
• 2.3.2 模拟方式
• 2.4 模拟结果分析
• 2.4.1 特征频率和特征函数数值求解方法
• 2.4.2 求解系统质量因子
• 2.4.3 系统频谱分析
• 2.4.4 瞬态计算
• 2.5 本章总结
• 3 基于振荡电路理论的热声自激振荡模拟
• 3.1 振荡电路基本理论
• 3.2 流体网络理论
• 3.2.1 基本理论
• 3.2.2 基本参数
• 3.3 电路自激起振与热声起振的类比
• 3.3.1 热机网络模型
• 3.3.2 电路模型
• 3.3.3 模拟结果
• 3.4 本章总结
• 4 热声起振的实验研究
• 4.1 背景
• 4.2 实验装置
• 4.3 实验结果
• 4.3.1 起振过程图
• 4.3.2 起振过程分析
• 4.4 实验对比
• 4.5 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 对将来工作的展望
• 参考文献
• 作者简历