Gedeon聲直流對熱聲轉(zhuǎn)換效應(yīng)的影響機制及其抑制方法研究
發(fā)布時間：2020-12-05 19:47
熱聲發(fā)動機是基于熱聲效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置,具有運行可靠性高、壽命長以及環(huán)保性高等優(yōu)點。幾十年來,熱聲理論以及熱聲發(fā)動機樣機的研究都已經(jīng)取得了一些突破性進展。行波熱聲發(fā)動機由于工質(zhì)微團所經(jīng)歷的熱聲轉(zhuǎn)換熱力循環(huán)本征可逆,理論熱效率較高,是近年來熱聲領(lǐng)域的研究熱點。但是行波熱聲發(fā)動機通常具有閉合環(huán)路結(jié)構(gòu),在環(huán)路中循環(huán)流動的Gedeon聲直流是影響其熱效率的一個至關(guān)重要的因素。為了探索Gedeon聲直流對熱聲轉(zhuǎn)換效率的影響機制,同時高效低損地對其進行抑制以提高系統(tǒng)的熱效率,本文針對以下幾個方面開展了理論和實驗研究工作:（1）Gedeon聲直流對回?zé)崞鳠崧曓D(zhuǎn)換效率的影響機制與特性分析。以新晉發(fā)展的四級行波熱聲發(fā)動機以及雙向進氣型脈管制冷機為例,基于熱聲學(xué)理論建立了數(shù)值模型,編寫了模擬計算程序,分析了 Gedeon聲直流對回?zé)崞鳠崧曓D(zhuǎn)換效率的影響機制。本文的研究工作著眼于Gedeon聲直流所攜帶的能流是當(dāng)?shù)販囟鹊暮瘮?shù),同時Gedeon聲直流攜帶的能流又導(dǎo)致溫度梯度的顯著變化,本文著力揭示二者之間的相互作用,闡明了Gedeon聲直流通過改變回?zé)崞髦械臏囟确植歼M而影響熱聲轉(zhuǎn)換效率的作用機制。（...
【文章來源】：浙江大學(xué)浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：172 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
四種典型的熱聲振蕩春聞
接下來對行波型熱聲發(fā)動機的研究進展進行介紹。??行波型熱聲發(fā)動機的概念最早是Ｃｅｐｅｒｌｅｙ在１９７９年提出［７（）］。但是，直到１９９８年，日本??的Ｙａｚａｋｉ等人建立了一臺如圖１．２所示的環(huán)路行波熱聲發(fā)動機［７１］，自激聲振蕩才在環(huán)路系??統(tǒng)中成功的被觀察到。穩(wěn)定性邊界條件觀測表明該系統(tǒng)的起振溫度明顯低于駐波型熱聲??發(fā)動機。不過由于阻抗匹配的問題，該系統(tǒng)的熱效率仍然較低，以一個大氣壓的空氣為??工質(zhì)時，僅達到了?１．０２左右壓比。同時，Ｙａｚａｋｉ型回路中存在的其它問題（比如Ｇｅｄｅｏｎ??聲直流和Ｒａｙｌｅｉｇｈ聲值流）也是導(dǎo)致系統(tǒng)效率較低的原因。??｜ＬＤＶ｜?．ｒ?板疊??玻璃管ｊ；?ｊｉ力傳感器??／?％?二?＇二??換熱器??圖１．２環(huán)路行波熱聲發(fā)動機［７１］??１９９９年，Ｂａｃｋｈａｕｓ和Ｓｗｉｆｔ對熱聲斯特林發(fā)動機［１２’７２］的成功研制是行波熱聲發(fā)動機研??究中的突破性進展，如圖１．３所示。他們將回?zé)崞鬟B同三個換熱器（包括主副冷卻器以及??加熱器）放置在環(huán)路內(nèi)的行波聲場中，并將環(huán)路連接到駐波諧振管的一端，這獨特的設(shè)??計保證了回?zé)崞魈幱谛胁晥霾⑶衣曌杩馆^高。同時，樣機成功研制的重要因素還應(yīng)該??歸功于對于聲直流（包括Ｇｅｄｅｏｎ聲直流和Ｒａｙｌｅｉｇｈ聲直流）的抑制。在實現(xiàn)回?zé)崞魈幐呗??阻抗以及對聲直流進行抑制后，該樣機的熱效率可達０．３?（相對卡諾效率為０．４２），其效??率足以媲美傳統(tǒng)內(nèi)燃機（０．２５？０．４）和活塞驅(qū)動的斯特林發(fā)動機（０．２０？０．３８）
中科院理化所的羅二倉等人通過對比行波或駐波模式的熱聲發(fā)動機認為聲功流率的臨界溫度梯度與流道尺寸和工作介質(zhì)有關(guān)，也提出了一種波聲場工作的熱聲發(fā)動機方案［７３］，其結(jié)構(gòu)與熱聲斯特林發(fā)動機的結(jié)構(gòu)相似示。２００５年，羅二倉等人研制成了具有錐形諧振管的高壓力比、能量聚焦熱，通過改變諧振管的直徑，抑制非線性波的產(chǎn)生，減少了粘性耗散。在對進行優(yōu)化后，當(dāng)采用１．５?ＭＰａ的氮氣為工質(zhì)，加熱功率為３?ｋＷ（加熱溫度為６７現(xiàn)了?１．４以上的最大壓比［７４，７５］。同時，戴巍等人還提出了聲學(xué)放大器的概念，到熱聲發(fā)動機驅(qū)動脈管制冷機的研究中，在理論計算的基礎(chǔ)上，實驗證實［７５］。湯珂等人通過數(shù)值模擬和實驗研究了聲壓放大器尺寸對駐波熱聲系統(tǒng)７６，７７］。李青等人在小型高頻熱聲斯特林發(fā)動機方面也進行了諸多研究［７８，７９］。??
【參考文獻】：
期刊論文
[1]應(yīng)用于低溫流體流量計的多孔板性能數(shù)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]四級環(huán)路行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)起振特性分析[J]. 金滔,楊睿,湯珂. 工程熱物理學(xué)報. 2015(08)
[3]氣-液雙作用行波熱聲發(fā)動機實驗特性的研究[J]. 李東輝,羅二倉,陳燕燕,吳張華. 工程熱物理學(xué)報. 2013(12)
[4]氣-液雙作用行波熱聲發(fā)動機的數(shù)值模擬[J]. 李東輝,張麗敏,吳張華,羅二倉. 低溫工程. 2012(04)
[5]弱非線性熱聲理論模型的建立及簡化[J]. 高波,羅二倉,陳燕燕,戴巍,胡劍英,喻力弘. 工程熱物理學(xué)報. 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]雙聲源驅(qū)動熱聲系統(tǒng)的理論聲場重構(gòu)與實驗驗證[J]. 周立華,謝秀娟,李雷,李青. 低溫工程. 2010(02)
[8]熱聲熱機技術(shù)的研究進展[J]. 周遠,羅二倉. 機械工程學(xué)報. 2009(03)
[9]行波熱聲發(fā)動機中Gedeon直流定量研究[J]. 孫大明,邱利民,王波,譚永翔. 浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版). 2007(06)
[10]自激振蕩熱聲發(fā)動機的整機數(shù)值模擬研究[J]. 凌虹,羅二倉,戴巍,胡劍英. 聲學(xué)學(xué)報. 2006(04)
博士論文
[1]熱聲驅(qū)動脈管制冷特性的理論與實驗研究[D]. 湯珂.浙江大學(xué) 2005
[2]熱聲器件的尋優(yōu)及其與熱聲熱機系統(tǒng)的匹配[D]. 涂虬.華中科技大學(xué) 2004
本文編號：2899989
【文章來源】：浙江大學(xué)浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：172 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
四種典型的熱聲振蕩春聞
接下來對行波型熱聲發(fā)動機的研究進展進行介紹。??行波型熱聲發(fā)動機的概念最早是Ｃｅｐｅｒｌｅｙ在１９７９年提出［７（）］。但是，直到１９９８年，日本??的Ｙａｚａｋｉ等人建立了一臺如圖１．２所示的環(huán)路行波熱聲發(fā)動機［７１］，自激聲振蕩才在環(huán)路系??統(tǒng)中成功的被觀察到。穩(wěn)定性邊界條件觀測表明該系統(tǒng)的起振溫度明顯低于駐波型熱聲??發(fā)動機。不過由于阻抗匹配的問題，該系統(tǒng)的熱效率仍然較低，以一個大氣壓的空氣為??工質(zhì)時，僅達到了?１．０２左右壓比。同時，Ｙａｚａｋｉ型回路中存在的其它問題（比如Ｇｅｄｅｏｎ??聲直流和Ｒａｙｌｅｉｇｈ聲值流）也是導(dǎo)致系統(tǒng)效率較低的原因。??｜ＬＤＶ｜?．ｒ?板疊??玻璃管ｊ；?ｊｉ力傳感器??／?％?二?＇二??換熱器??圖１．２環(huán)路行波熱聲發(fā)動機［７１］??１９９９年，Ｂａｃｋｈａｕｓ和Ｓｗｉｆｔ對熱聲斯特林發(fā)動機［１２’７２］的成功研制是行波熱聲發(fā)動機研??究中的突破性進展，如圖１．３所示。他們將回?zé)崞鬟B同三個換熱器（包括主副冷卻器以及??加熱器）放置在環(huán)路內(nèi)的行波聲場中，并將環(huán)路連接到駐波諧振管的一端，這獨特的設(shè)??計保證了回?zé)崞魈幱谛胁晥霾⑶衣曌杩馆^高。同時，樣機成功研制的重要因素還應(yīng)該??歸功于對于聲直流（包括Ｇｅｄｅｏｎ聲直流和Ｒａｙｌｅｉｇｈ聲直流）的抑制。在實現(xiàn)回?zé)崞魈幐呗??阻抗以及對聲直流進行抑制后，該樣機的熱效率可達０．３?（相對卡諾效率為０．４２），其效??率足以媲美傳統(tǒng)內(nèi)燃機（０．２５？０．４）和活塞驅(qū)動的斯特林發(fā)動機（０．２０？０．３８）
中科院理化所的羅二倉等人通過對比行波或駐波模式的熱聲發(fā)動機認為聲功流率的臨界溫度梯度與流道尺寸和工作介質(zhì)有關(guān)，也提出了一種波聲場工作的熱聲發(fā)動機方案［７３］，其結(jié)構(gòu)與熱聲斯特林發(fā)動機的結(jié)構(gòu)相似示。２００５年，羅二倉等人研制成了具有錐形諧振管的高壓力比、能量聚焦熱，通過改變諧振管的直徑，抑制非線性波的產(chǎn)生，減少了粘性耗散。在對進行優(yōu)化后，當(dāng)采用１．５?ＭＰａ的氮氣為工質(zhì)，加熱功率為３?ｋＷ（加熱溫度為６７現(xiàn)了?１．４以上的最大壓比［７４，７５］。同時，戴巍等人還提出了聲學(xué)放大器的概念，到熱聲發(fā)動機驅(qū)動脈管制冷機的研究中，在理論計算的基礎(chǔ)上，實驗證實［７５］。湯珂等人通過數(shù)值模擬和實驗研究了聲壓放大器尺寸對駐波熱聲系統(tǒng)７６，７７］。李青等人在小型高頻熱聲斯特林發(fā)動機方面也進行了諸多研究［７８，７９］。??
【參考文獻】：
期刊論文
[1]應(yīng)用于低溫流體流量計的多孔板性能數(shù)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]四級環(huán)路行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)起振特性分析[J]. 金滔,楊睿,湯珂. 工程熱物理學(xué)報. 2015(08)
[3]氣-液雙作用行波熱聲發(fā)動機實驗特性的研究[J]. 李東輝,羅二倉,陳燕燕,吳張華. 工程熱物理學(xué)報. 2013(12)
[4]氣-液雙作用行波熱聲發(fā)動機的數(shù)值模擬[J]. 李東輝,張麗敏,吳張華,羅二倉. 低溫工程. 2012(04)
[5]弱非線性熱聲理論模型的建立及簡化[J]. 高波,羅二倉,陳燕燕,戴巍,胡劍英,喻力弘. 工程熱物理學(xué)報. 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]雙聲源驅(qū)動熱聲系統(tǒng)的理論聲場重構(gòu)與實驗驗證[J]. 周立華,謝秀娟,李雷,李青. 低溫工程. 2010(02)
[8]熱聲熱機技術(shù)的研究進展[J]. 周遠,羅二倉. 機械工程學(xué)報. 2009(03)
[9]行波熱聲發(fā)動機中Gedeon直流定量研究[J]. 孫大明,邱利民,王波,譚永翔. 浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版). 2007(06)
[10]自激振蕩熱聲發(fā)動機的整機數(shù)值模擬研究[J]. 凌虹,羅二倉,戴巍,胡劍英. 聲學(xué)學(xué)報. 2006(04)
博士論文
[1]熱聲驅(qū)動脈管制冷特性的理論與實驗研究[D]. 湯珂.浙江大學(xué) 2005
[2]熱聲器件的尋優(yōu)及其與熱聲熱機系統(tǒng)的匹配[D]. 涂虬.華中科技大學(xué) 2004
本文編號：2899989
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