（制冷及低温工程专业论文）热声发动机输出特性研究.pdfVIP

声，z 妒硕士学位论文 热声发动机输出特性研究 肖勇 浙江大学制冷与低温研究所，杭州，3 1 0 0 2 7 摘要 热声发动机是利用热声效应，将热能转化为声能进而实现声功输出的声波发 生器。热声发动机以其潜在高效率、结构简单、运行可靠和工质环境友好等优点 引起了广泛关注。 本文首先介绍了热声发动机的发展历程和研究现状，概述了热声理论，并重 点对声压放大器和双路声功输出特性进行了深入研究。 声压放大器是一种可显著提高热声发动机输出压力振幅和压比的装置，然而 它的主要问题是声功损失过大。本文提出采用较大管径的改进型声压放大器进一 步提高其性能的方法。改进的单级声压放大器在大幅度提升输出压比的同时，没 有明显降低发动机内的压比和破坏发动机内部声场，能使发动机工作在较高的品 质状态。采用变负载法测量声功的实验结果也表明，改进型的单级声压放大器有 效地解决了声功损失过大的问题。在此基础上，本文提出了两级声压放大器的概 念。实验中以氮气为工质、工作压力为2 2 m p a 时，两级声压放大器将压比从1 1 7 7 放大到1 6 1 9 ，这是目前国内外公开报道的最大压比。采用变负载法的研究表明： 只有保证负载的阻抗和两级声压放大器的良好匹配，才能充分发挥两级声压放大 器驱动负载的良好性能。 为进一步提高热声发动机的声功输出能力，实现能量的梯级利用，本文对本 课题组提出的双路声功输出方案进行了实验研究。以氮气为工质，工作压力为 2 4 m p a ，在热声发动机环路压比稳定在1 2 0 的情况下，从环路声容和谐振管处 同时引出声功，获得了3 6 4 2 5 w 的最大声功，1 1 2 的最大声功输出效率以及 1 6 0 2 的最大声功输出火用效率，这比单独从环路引出时分别提高了5 2 2 ，3 3 3 和2 2 5 7 。以h e 为工质，工作压力为2 2 m p a ，在热声发动机系统加热温度稳 定在6 6 0 的情况下，双路同时引出声功的效率最大为1 1 1 4 ，这比单独从环路 引出的最大效率提高了3 8 5 6 。 关键词：热声发动机改进型声压放大器两级声压放大器双路声功输出 声岁，z 妒硕士学位论文 i n v e s t i g a t i o no no u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so fa t h e r m o a c o u s t i ce n g i n e y o n gx i a o i n s t i t u t eo f r e f r i g e r a t i o na n dc r y o g e n i c se n g i n e e r i n g , z h e j i a n gu n i v e r s i t y h a n g z h o u3 1 0 0 2 7 ，p 1 l c h i n a at h e r m o a c o u s t i ce n g i n e ( t e ) c o n v e r t st h e r m a le n e r g yi n t oa c o u s t i cp o w e rb y t h e n n o a c o u s t i ce f f e c t w i d ea t t e n t i o nh a sb e e nf o c u s e do nt h e r m o a c o u s t i ce n g i n ef o r i t sp o t e n t i a l l yh i 曲e f f i c i e n c y , s i m p l ec o n f i g u r a t i o n ，r e l i a b i l i t ya n de n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l yw o r k i n gg a s t h eh i s t o r ya n dd e v e l o p m e n to ft ea r er e v i e w e d ，f o l l o w e db yab r i e f i n t r o d u c t i o no ft h e r m o a o u s t i ct h e o r y f u r t h e rs t u d yi sm a d ea b o u tt h ea c o u s t i c a m p l i f i e ra n dt h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i co f t ew i t hd o u b l el o a d s a c o u s t i ca m p l i f i e ri sas i m p l ed e v i c ew h i c hc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v eo u t p u t p r e s s u r ea m p l i t u d ea n dp r e s s u r er a t i oo ft e h o w e v e r , t h em a i np r o b l e mo fa c o u s t i c a m p l i f i e ri st h el a r g ea c o u s t i cp o w e rl o s s b a s e do nt h e o r e t i c a ls t u d y , w ep r o p o s ea m o d i f i e da c o u s t i ca m p l i f i e rw i t hl a r g e rd i a m e t e rc a p a b l eo ff u r t h e ri m p r o v i n gt h e p e r f o r m a n c eo ft e i ti ss h o w nt h a tt h em o d i f i e da m p l i f i e rc a l li n c r e a s et h eo u t p u t p r e s s u r er a t i o ，a n dn o ts i g n i f i c a n t l yd e c r e a s et h ep r e s s u r er a t i oi nt h ee n g i n e b a s e do n t h ea c o u s t i cp o w e rm e a s u r e m e n tw i t hv a r i a b l e - l o a dm e t h o d ，t h ee x p e r i m e n t sv e r i f i e d t h a tt h em o d i f i e da c o u s t i ca m p l i f i e rc a nd e c r e a s ea c o u s t i cp o w e rl o s se f f e c t i v e l y t h e c o n c e p to f t w o - s t a g ea c o u s t i ca m p l i f i e ri sa l s op r o p o s e d i ne x p e r i m e n t s ，at w o - s t a g e a c o u s t i ca m p l i f i e ra m p l i f i e st h ep r e s s u r er a t i of r o m1 1 7 7t o1 6 1 9w i t hn i t r o g e no f 2 2 0m p aa sw o r k i n gg a s w h i c hi st h eh i g h e s tp r e s s u r er a t i oo b t a i n e dt od a t e t h e p e r f o r m a n c eo f t w o - s t a g ea c o u s t i ca m p l i f i e rd e p e n d so ng o o dm a t c hb e t w e e nt h el o a d i m p e d a n c ea n dt h et w o s t a g ea c o u s t i ca m p l i f i e r i no r d e rt of u r t h e ri m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fa c o u s t i cp o w e ro u t p u ta n dm a k e f u l lu s eo f a c o u s t i ce n e r g yo f t e ，e x p e r i m e n ts t u d yo nd o u b l e - o u t p u tm e t h o di sm a d e w i t hw o r k i n gp r e s s u r ea n dm a x i m u mp r e s s u r er a t i oi nt h et o m so f2 4 m p aa n d1 2 0 r e s p e c t i v e l y , i n v e s t i g a t i o no na c o u s t i cp o w e ro u t p u tf r o mt h et o m sa n dr e s o n a t o r s i m u l t a n e o u s l yi sc a r r i e do u tw h e nn i t r o g e ng a si su s e d t h em a x i m u mo u t p u tp o w e r , i i 盂 芦， 乎硕士学位论文 t h e r m a le f f i c i e n c ya n de x e r g ye f f i c i e n c yr e a c h3 6 4 2 5 w ：11 2 a n d1 6 0 2 ，w h i c h i n c r e a s eb y5 2 2 3 3 3 a n d2 2 5 7 r e s p e c t i v e l yt h a nt h o s eu s i n go n l yo n er - c l o a di nt h et o r u s w i t hh e l i u mo f2 2 m p a 嬲w o r k i n gg a sa n dh e a t i n gt e m p e r a t u r eo f 6 6 0 。c ，t h em a x i m u mt h e r m a le f f i c i e n c yr e a c h e s1 1 1 4 w i t hd o u b l e o u t p u tm e t h o d ， w h i c hi n c r e a s e sb y3 8 5 6 t h a nt h a tw i t hs i n g l e o u t p u tm e t h o d k e y w o r d s ：t h e r m o a c o u s t i ce n g i n e ；m o d i f i e da c o u s t i ca m p l i f i e r ；t w o s t a g ea c o u s t i c a m p l i f i e r ；d o u b l e - o u t p u ta c o u s t i cp o w e r i i i 声歹，z 妒硕士学位论文 通道横截面积【m 2 】 定压比热容 j ( k g k ) 】 直径【m 】 声功【、明 频率【h z 】；空间分布函数； 比焓 j k g ； 对流换热系数 w m 2 k 】 焓流i w 虚数单位 复数的虚部 热导率 w ( m k ) 】；波矢 传热系数【w m 2 k 】 长度【m 】；丝网间距【m 】 长度 r n 】 质量流量 k g s 】 马赫数 努塞尔数 压力 p a 】 制冷量 w 】：加热功率 w 】 复数的实部；雷诺数 通道的表面积【m 刁 时间【s 】 绝对温度 k 】 速度 m s 体积流率【m 3 s 】 体积 i n 3 】 声功【w 声传播方向的位置 差值 梯度 热膨胀系数 绝热指数 主要符号表 i v 渗透深度 m 】 粘滞系数l e a s 1 声波波长【m 】 相位差【。】 p l 和u 1 之间的相位差 o 】 密度 k e , m 3 】 角频率【h z 】 普朗特数 周长【m 】 实际温度梯度与i 临界梯度比值 火用效率 环境温度 k 】 上、下标 1 一阶的 2 二阶的 c 冷端 c r i t 临界状态 e发动机 g气体 h 热端 j r 热的 ，液体 脚平均量 s o l i d固体壁面 丁气库 v 粘性的 复数的共轭运算 一 时均运算 万a 护q p 缈丹n r 仉瓦 爿印d e ， 日，h七足，三旆m m p q贴s，ru矿矿工v芦y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 苘 亩 签字日期：劲d 1 年月加同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸垄盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝鎏盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：尚甬 签字日期：2 d d l 年月如日 导师签名 歹劾l 戊 签字日期：一再。多月，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：普莱克斯( 中国) 投资有限公司 通讯地址：上海市东方路6 9 号裕景国际商务广场2 1 楼 电话： 邮编：2 0 0 1 2 0 声岁，妒硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 热声发动机以其潜在高效率、结构简单、运行可靠和工质环境友好等优点弓 起了广泛关注，可用于驱动脉管制冷机等负载。本章首先介绍课题背景和意义， 随后介绍热声发动机发展历程和研究现状，最后提出了本文的主要研究工作。 1 1 课题背景及意义 现代工业生产、军事工程以及信息技术等都对低温制冷机的可靠性和寿命 提出了越来越高的要求。上世纪六十年代出现的脉管制冷机1 2 】，由于低温端没 有机械运动部件，从而具有较长的寿命和较高的可靠性。经过国内外近四十多年 的理论和应用研究，脉管制冷机已经进入了实用化阶段，有望成为新一代可靠、 长寿命的低温制冷机。 然而，脉管制冷机只是消除了低温端的运动部件，它仍需要机械压缩机在 室温端进行驱动，所以脉管制冷机在室温端仍存在机械运动部件。作为没有运动 部件的热声机械，热声发动机可作为脉管制冷机的理想驱动器，这样可完全消除 运动部件以获得长寿命的低温制冷机。 热声系统具有它特有的优点： ( 1 ) 除了气体振荡外，无任何机械运动部件，从根本上消除了常规机械存在 的磨损与振动，无疑是稳定可靠、使用寿命长的新型动力机械。 ( 2 ) 热声机械以热声效应为基本工作原理，可以热能( 燃气、太阳能、工业 废热等) 作为驱动源，可实现对低品位能源的利用，对于电能缺乏而热能富集的 场合具有实用意义。 ( 3 ) 用于热声机械的工质是对环境无害的流体( 如空气、惰性气体等) ，既不 破坏臭氧层，也不会引起温室效应，这同制冷技术中禁用c f c s 和h c f c s 的趋 势是相一致的。由于具有清洁、环保等特点，热声机械在工业制冷，甚至在家用 制冷行业中日渐具有竞争力。 热声发动机具备高效的热一功转换效率，兼有一般热声机械的诸多优点，在 囝_ 岁，- 六妒硕士学位论文第一章绪论 空间技术、军事工程、信息技术、能源技术等现代工业领域具有广泛重要的应用 前景，如电子与超导器件冷却、远红外探测技术、室温制冷、天然气液化等。最 近十几年来，在国内外研究人员的共同努力下，热声研究领域取得了一系列丰硕 成果。 1 2 热声发动机发展历程和研究现状 根据声场特性不同，热声发动机主要分为驻波型和行波型两种型式。行波声 场中速度波和压力波动相位相同，而在驻波声场中二者相差9 0 0 。由于驻波场中 速度和压力之间的相位差为9 0 0 ，当板叠处气体速度处于正向最大时，气体在板 叠通道中高速向热端极限移动，掠过正向半个周期运动中的绝大部分位移( 即掠 过大部分的温度梯度) ，因此这一过程应该是加热最强烈的时间段【3 1 。但此时也 正是压力变化最大的时候，气体在这一时段被迅速压缩，压缩过程和加热过程同 时发生，从热力学的角度看既不利于压缩也不利于加热，因此造成气体与固体之 间传热的滞后，这一热滞后使得当气体运动变缓吸收热量时气体与固体介质之间 已经有相当的温差，从而造成很大的不可逆损失【4 】。同理，当气体经历膨胀过程 时，却同时经历气体高速向低温端运动的冷却过程，这样的过程既不利于膨胀也 不利于放热。但是我们也应当看到，如果没有热滞后，驻波声场理论上不能产生 声功，因此驻波热声发动机以降低热力学效率为代价来产生声功。为了在驻波场 中实现热功转化就必须采用间距较大的板叠以形成热滞后，使一部分加热发生在 压缩过程之后，一部分冷却发生在膨胀过程之后，然而气体同固体问的有限温差 热传递造成的不可逆热力过程使整个装置的效率大大降低。 行波热声发动机中回热器填料的空隙尺寸远小于气体热渗透深度，实现了固 体与气体间的理想热接触，加热和冷却近似为可逆等温过程【4 】。同时，行波声场 中速度和压力同相位。在行波热声发动机回热器处，当气体被迅速压缩时，气体 运动速度很小，跨过回热器上较小的温度增量，因此可以被高效压缩，而在加热 过程中，气体具有最大的正向速度，跨过最大的温度增长区问，而此时压力却变 化很小，可以实现高效的吸热膨胀过程，从热力学角度来看这无疑是对热能到声 功的转换非常有利；同理，当气体进入压力降低阶段后，气体运动速度较小，掠 过热声回热器较小的温度区间，所以利于压力的降低，当气体压力降到一定程度 2 留声歹，z 妒硕士学位论文第一章绪论 时速度变大，温度变化迅速，气体对回热器放热，气体先经历膨胀再放热。从以 上分析可以看出行波声场中的热声转换过程中没有不可逆过程的参与，并且很小 的回热器水力半径能够保证气体与回热器的等温传热。所以，行波热声发动机理 论上进行的是可逆热声转换过程，可以获得比驻波热声发动机更高的热力学效 率。由于纯行波热声发动机声场内的阻抗分布均匀，会在回热器处导致巨大的粘 性耗散，目前能够取得较高热声转换效率的热声机械一般是行波驻波混合型热声 发动机，它在结构上包括一个行波环路和一个谐振直路，结合了纯驻波和行波热 声发动机共同的优点，热功转换效率可以和内燃机相媲美【3 j 。 1 8 5 0 年，s o u n d h a u s s 首先对连接玻璃球的中空玻璃管中发生的热声现象进 行了定性的研究。今天我们把这种一端封闭、一端开口的热声振荡管命名为 “s o u n d h a u s s 管5 橱，如图1 1 所示。1 8 5 9 年，躺k e 在将加热的丝网放到一根两 端开口的垂直空管的下半部分时观察到强烈的声振荡，这就是后来的“r i j k e 管”睁”，如图1 2 所示。实际上，剐k e 管和s o n d h a u s s 管正是后来行波型和驻波 型热声机械的雏形。 图1 1s o u n d h a u s s 管 1 2 1 驻波型热声发动机 图1 2r i j k e 管 1 9 6 2 年，美国新墨西哥大学的c a r t e r 和他的同事发现在s o n d h a u s s 管中放 入适当结构会提高它的效率，这是自1 9 1 7 年以来在s o n d h a u s s 振动上所做的具 有代表性的实验工作。在c a r t e r 的研究基础上，他的研究生f e l d m a n 又做了许多 工作。他们研制出了世界上第一台有显著声功输出的驻波型热声驱动器，输入 6 0 0 w 的热量时产生了2 7 w 的声功【3 6 1 。 ，l-1+it m w 声歹，六，硕士学位论文第一章绪论 上世纪8 0 年代末，qw s w i f t 等人设计建造了一台驻波型热声发动机，其 长度达到1 0 m ，工作频率为2 8 h z 左右，压比约为1 1 t 引。此后，他们在1 9 9 2 年 建成了一台直径1 2 8 m m ，总长4 3 2 0 m m 的驻波型热声发动机，通过对温度和压 力波的仔细测量，在工作介质为氦气，充气压力为1 3 8 m p a ，加热功率为7 k w 的条件下获得了6 3 0 w 的最大声功，热效率为9 0 4 1 4 1 。 1 9 9 8 年，日本的m a t s u b a r a 和z h o u 等人对一台驻波热声发动机的起振温度 和工作频率等方面进行了实验研究和分析。该驻波热声发动机在以氦气为工作介 质，输入功率8 3 3 w ，加热温度7 0 0 k ，工作频率7 3 h z 时能得到2 6 w 的声功输 出；并预测该发动机驱动一台脉管制冷机在8 0 k 时可望获得o 5 w 的制冷量 9 1 。 国内浙江大学制冷与低温研究所的陈匡邦等人制成国内首台采用丝网板叠 的1 2 波长热声发动机，如图1 3 所示，该热声发动机在以氮气和氦气为工质时 分别获得了1 1 2 和1 0 6 的压比。他们还着重研究了工质种类、谐振管长度、平 均充气压力和加热温度对热声发动机性能的影响 1 0 q l 】。之后，他们对该驻波型热 声发动机进行了改进并驱动一单级脉管制冷机达到了5 6 4 k 的无负荷最低制冷 温度【1 2 l 。 图1 3 陈国邦等研制的驻波型热声发动机示意图 法国国家科研中心l i m s i 实验室的f r a n c o i s 等从上世纪9 0 年代初开始对热 声驱动器进行研究。他们建成的热声驱动器原型机以氮气为工质，加热温度为 5 0 0 。c ，工作频率为8 6 h z 时，压力振幅可达到平均压力的1 0 0 , 4 。他们还建立了 双传感器法声功测量系统【1 3 1 。 1 9 9 8 年，美国宾州大学的c h e n 和g a r r e t t 建成了世界上第一台太阳能驱动 的1 4 波长的驻波型热声发动机。该发动机以直径为为3 英尺的透镜聚集太阳光， 用于加热陶瓷板叠的一端，其谐振管长度为4 0 c m ，正常工作时频率为4 2 0 h z ， 在离谐振管开口端1 m 处可测得1 2 0 d b 声波1 1 4 1 。 2 0 0 4 年，中科院的罗二仓等人通过对一台驻波型热声发动机换热器的改进， 4 p 哆， 掌硕士学位论文第一章绪论 他们采用具有优良导热性能的紫铜材料作为加热器的主要换热元件，使该发动机 性能得到很大提高，以氦气为工质时压比可达1 1 5 左右，而在以氮气为工质时 压比甚至可与行波型热声发动机相比，达到了1 2 2 1 1 5 1 。 1 2 2 行波型热声发动机 尽管驻波型热声发动机在过去得到了很大的发展，但是由于它的热功转换 是基于不可逆热力学循环，热力学损失较大，因而即便在目前理论和实验都相对 成熟的情况下其热效率仍然比较低，一般不超过2 0 0 6 。寻求可逆热力学循环工作 的热声发动机就成为提高其热功转换效率的一个重要途径。 1 9 7 9 年，p e t e rc e p e r l e y 首先注意到s t i f l i n g 热机中工质的压力波和速度波 之间的相位差与行波中的完全相同，基于这种认识，他提出了行波热声热机的概 念。这是一类利用可逆热声效应工作的热机，其效率甚至可以和卡诺循环相比。 但是由于系统中的声阻抗太小，该热机效率仅为卡诺效率的1 0 ，他预测，如果 声阻抗能增加1 0 倍，效率可以达到卡诺效率的7 9 【1 6 1 。 1 9 9 8 年，y a z a k i 、1 w a t a 等首先实现了环路行波热声自激振荡【1 刀，如图1 4 所示。他们发现强化工作气体和板叠之间的换热可以使行波型热声发动机起振温 度低于驻波型热声发动机。但是他们设计的该热声发动机效率还比较低，当充气 压力为一个大气压时压比仅为1 0 2 左右，压力振幅维持在0 8 2 k p a 。y a z a k i 也认 识到这是由于气体工质较低的声阻抗造成的，当回热器的热平衡时问较小时，过 低的声阻抗会在回热器处引起巨大的粘性损失。 图1 - 4y a z a k i 设计的纯行波环路热声发动机 1 9 9 9 年，b a c k h a u s 和s w i f t 对行波热声发动机作出重要改进，如图1 5 所示。 5 。声歹， 妒硕士学位论文第一章绪论 他们把回热器放在一个靠近驻波谐振器封闭端的环路中，在发动机的封闭端，压 力与体积流率之比( 即声阻抗) 比驻波发动机大3 0 倍，因此回热器处的粘性损 失大大降低，该发动机中工质经历的是可逆的s t i f l i n g 循环，因而热力学效率远 远超过了驻波型发动机，它能实现3 0 的热功转换效率，相对卡诺效率约为4 2 ， 可以和内燃机( 热效率3 0 - 4 0 ) 相媲美。当用h e 为工质时，压比达到了1 2 2 1 培9 1 。 b a c k h a u s 和s w i f t 的这一发明入选1 9 9 9 年度美国l o 项“r & d 1 0 0 ”奖，被认为是 一项开创性的研究成果。 图1 5b a c k h a u s 和s w i f t 研制的行波热声发动机 中国科学院理化所罗二仓研究员等人自1 9 9 8 年起在国际上开展局域行波发 动机研究，并于1 9 9 9 年9 月研制出一台行波工作机制的热声发动机，他们在不 同的充气压力和工质条件下进行了试验，讨论了结构足寸、充气压力、加热温度、 工作介质对试验结果的影响，并发现了频率跳变现射2 0 1 。 2 0 0 1 年，日本t b i w a 也在行波环路的特定位置引入了驻波谐振直路，并使 用了新的实验技术，但在实验中发现整个热声发动机工作类似驻波发动机，其压 力和速度振荡的相位差甚至接近9 0 0 p 1 1 。 2 0 0 2 年，法国gp e n e l e t 和e g a v i o t 等人着重对纯环路型行波发动机中的 瞬时状态( t r a n s i tr e g i m e ) 进行了研究，他们发现了一些非线性现象，如高次谐 波的起振、声流对回热器中温度梯度的影响。另外他们在放大状态中还首次发现 了“双临界点”( d o u b l e - - t h r e s h o l d ) 现象田】。 2 0 0 2 年，中国科学院理化技术研究所罗二仓等人建成了一台同轴型行波热声 发动机，如图1 6 所示。他们将热缓冲管和阻性管套在回热器和容性管中形成同 轴布置，使得环路结构紧凑，同时起振温度大大降低；以氮气为工质时，起振温 度为2 0 0 。c ，平均振幅0 0 1 4 m p a t 2 3 1 。 6 j h 歹，z 妒硕士学位论文第一章绪论 2 0 0 2 年，浙江大学邱利民、孙大明等设计建成国内第一台大型具有较高热 功转换效率的行波热声发动机，如图1 7 所示。该发动机设计最大输入功率为 5 0 0 0 w ，通过改进后可达6 0 0 0 w 。在2 0 0 5 年通过直流抑制等方法进行优化后压 比获得了很大提高，在以氮气为工质，充气压力为1 5 6 m p a 时最大压比达到 1 3 0 2 ，工作压力为2 5 4 m p a 时，其峰一峰压力振幅为o 6 3 m p a l 2 4 ：在加热功率 为2 7 0 0 w 时，采用r - c 负载获得了2 2 6 2 w 的最大声功输出。随后，他们用该 发动机驱动一台u 型脉管制冷机，当以氦气作为工质，在加热功率2 3 5 0 w ，工 作压力2 7 1 v i p a ，频率4 5 h z 的情况下，获得了8 0 9 k 的无负荷最低制冷温度口5 1 。 1 加热器2 回热器3 惯性管4 冷端换热器5 容性空问6 谐振管7 谐振腔p 压力测点 图1 6 同轴型行波热声热机的实验装置 e 置 图1 7 浙江大学行波热声发动机示意图 2 0 0 5 年，中科院理化所的罗二仓研究员等对原有的混合型s t m i n g 热声发动 机进行了改造，建成一台采用锥形谐振管的聚能型行波热声发动机，如图1 8 所 示，即用一根长度为3 m ，小头直径8 0 m m ，大头直径2 0 0 m m 的锥形管代替原来 的直管作为谐振管用以抑制声波非线性传输从而达到提高发动机压比的目的。他 7 囝p ， 妒硕士学位论文第一章绪论 们以氦气为工质，充气压力为1 5 2 m p a 时获得了1 3 左右的压比，在压力为 2 0 5 m p a 下压比也有1 2 5 左右 2 6 - 2 7 1 。通过声压放大器放大压比之后，以氮气为 工质时，该发动机的压比能达到1 4 7 以上【2 8 1 。最近罗二仓研究员等采用声压放 大器作为热声发动机与低温脉管制冷机的耦合机构，使其继续保持压力幅值放大 的功能，且能够在热声发动机和脉管制冷机之间安装弹性膜。利用此新型耦合机 构，可以使热声发动机以氮气为工作介质获得较低的工作频率，而脉管制冷机则 可采用氦气为工作介质使其优良的低温制冷性能得到保证，采用聚能型行波热声 发动机驱动，最终使一台两级脉管制冷机获得了1 8 7 k 的无负荷温度，使热驱动 的热声制冷机首次突破了液氢温度【2 9 】。 图1 8 采用锥形谐振管的聚能型行波热声发动机 1 3 热声发动机研究的发展趋势 1 3 1 高效率的热声发动机 综上所述，驻波和行波型发动机是热声发动机目前应用中的两种主要型式， 但是二者有各自的优缺点。行波热声系统由于具有行波相位在传热损失方面相对 较小，热机的效率比较高，然而其粘性损失往往较大【1 7 1 。另外，行波型发动机 的闭合回路会出现“声直流”1 3 0 ，导致系统效率大大降低，因此在环路中必须 添加抑制声流的装置，而且热应力也会带来制造和可靠性方面的问题。虽然驻波 系统依赖于传热的不可逆性来工作，热效率的提高受到一定的限制，然而在驻波 系统中不存在直流现象；此外，通过适当的设计，可以保证其粘性耗散较小。 蟹p 夕，- 妒硕士学位论文 第一章绪论 目前人们正在研究其它高效的热声系统以解决这一难题。其中2 0 0 2 年美国的 l o s a l a m o s 国家实验室提出了串级发动机的概念【3 “，如图1 9 所示，其实验样机 热效率能够达到2 0 以上。随后，中国科学院理化技术研究所罗二仓等对串级发 动机进行了定性讨论，并结合一定的几何结构，运用线性热声理论对该类型热声 机进行了机理分析和数值模拟【3 2 1 。此外，中国科学院理化技术研究所李青等对 串级发动机进行了理论和实验研究，他们对四种不同结构的研究表明，行波区域 的长度和级间直径比对串级发动机系统的效率有很大的影响1 3 3 1 。 1 驻波型发动机2 第一级行波型发动机3 第二级行波型发动机 图1 9 串级热声发动机原理图 串级热声发动机能够充分利用驻波管内的驻波声场和行波声场，从而有效地 将两类发动机结合在一起，并且没有声直流的发生，这不失为一条有效途径来提 高热声机效率，并且大大简化了系统结构。 1 3 2 低品位能源的利用 能源问题不断困扰着社会的发展。低品位热能t 3 4 p 1 3 2 废热、汽车尾气通 常没有得到充分利用而直接排放造成了严重的能源浪费，此外由于技术和经济方 面的原因，太阳能的利用领域和利用水平相当有限。而热声发动机将热能转化为 声功( 机械能) ，表现为工质的周期性压力振荡，因此它可以用低品位热能进行驱 动。用这些低品位热能驱动热声发动机可以充分利用这些“被浪费的”的能源，能 够提高能源综合利用水平，缓解能源危机。例如，可以用太阳能驱动热声发动机， 将输出的声功驱动热声制冷机，在5 c 时可获得2 5 w 制冷量( 环境温度为2 3 c ) 【川。 起振是热声发动机系统的重要过程之一，是热声发动机在外加温差的作用下 由静止状态向周期性振荡状态转化的标志。起振温度的高低以及稳定的工作温度 直接关系到系统可能利用的能量品位。驻波型热声发动机的起振温度略高，一般 9 够p 歹，- 六妒硕士学位论文 第一章绪论 在3 0 0 c 以上：行波型热声发动机的起振温度较低，一般为2 0 0 3 0 0 c ，离单 纯依靠工业废热等低品位能源驱动热声发动机还有一定的距离【3 5 1 。目前，热声 起振机理的研究成为热声发动机研究领域的一大热点【3 ”9 1 ，他们在理论和实验方 面的研究为降低起振温度和稳定的工作温度，进一步为利用低品位热能的利用提 供了坚实的基础。如浙江大学孙大明、邱利民等利用外加压力扰动方法使行波型 热声发动机在不到2 0 0 c 左右的温度下就能起振，消振温度更低【3 5 1 ，而太阳能、 工厂废热等所能达到的温度足以维持行波型热声发动机的振动，这样在大型工 厂、太阳照射足够强的偏远地方可以运用行波型热声发动机。 1 3 3 热声发动机高频化、微型化 目前，人们对低频大尺寸的热声发动机研究较多，对热声发动机的微型化研 究相对较少。然而随着信息技术( 如红外线遥感等) 、低温电子学的迅猛发展， 低温电子器件冷却的微型集成化和高可靠性要求使得现有的低温系统很难满足 要求，即使具有高可靠性和长寿命的热声驱动的脉管制冷机也由于其驱动器( 热 声发动机) 系统尺寸较大不能满足需求。常规尺寸的热声发动机系统轴向长度一 般是1 4 波长，接近5 米，通常用h e 作为工质时，系统频率在5 0 i - i z 左右。系统轴 向长度一般与波长大致成比例关系，因此采用更高的工作频率( 几百到几千赫兹 甚至更高) ，可以缩小热声发动机系统尺寸。 2 0 0 4 年，b a c k h a u s 与t w a r d 等人用一个小型的斯特林热声发动机驱动一个线 性交流发电机，面向空间发电的应用，如图1 1 0 所示，该热声发动机驱动的发电 机最大输出电功为5 8 w ，系统效率达n o 1 5 4 0 。 图1 1 0b a c k h a u s 与t w a r d 等人研制的热声发动机 2 0 0 4 年，美国犹他大学的s y m k o 等人研制了面向冷却微电子线路应用的热 l o $ 户岁， 妒硕士学位论文 第一章绪论 声发动机，如图1 1 l 所示。该热声发动机工作频率高达上千赫兹，因此尺寸都 非常小，这种微型化的热声发动机利用微电子线路的发热维持振动并消耗其发 热，起振温差只有2 5 1 2 ，大大低于常规热声发动机的起振温差f 4 。 图1 1 1s y m k o 等人研制的微型热声发动机 2 0 0 6 年，中国科学院理化所李青等研制了一台高频复叠热声发动机t 3 3 1 。该 发动机总长1 2 米，工作频率高达4 7 0 h z ；他们以h e 作工质，在2 2 m p a t 作压力 下，输入2 2 0 w 的加热功率获得了4 8 k p a 的峰一峰压力振幅。 热声发动机高频化、微型化研究遇到的一大障碍是热声发动机如何与负载进 行匹配，如对脉管制冷机而言，热声发动机高达上千赫兹的频率对脉管制冷机部 件提出了严峻的要求，使得获得的无负荷最低制冷温度较耐4 2 1 ，这将难以满足 低温电子器件冷却的要求。但是仍可以预见微型化的热声发动机在电子器件冷却 等方面也将有其用武之地。例如，2 0 0 7 年中国科学院理化所戴巍等人就在热声发 动机高频化、微型化方面取得了很大的进步【4 3 1 。他们利用总长不足1 5 米的驻波 热声发动机驱动脉管制冷机，在3 0 0 h z 频率下获得了9 5 k 的最低制冷温度。驻波 热声发动机各部件尺寸非常小：热端气库内直径为4 厘米，长为4 厘米；热声板叠 直径为4 厘米，长为5 厘米；谐振管直径为2 9 厘米，长为9 0 厘米：达到了小型化。 1 4 本文的主要研究工作 尽管近年来国内外热声发动机性能已经得到了较大的提高，但在热声发动机 的研究，尤其是热声发动机输出特性方面的研究仍然存在以下不足： 1 作为热声发动机和脉管制冷机的一种新的耦合机制，声压放大器是一种 可显著提高热声发动机输出压力振幅和压比的装置，然而它存在的主要问题是声 功损失过大。 2 热声发动机内部声场是声功输出的基础，维持发动机中的高压比也意味 声岁， 妒硕士学位论文第一章绪论 着在谐振管及其它部件中的声功耗散增大，加热量相应增加，从而降低了热声发 动机的热效率。同时，热声发动机通常具有较大范围的声场分布，声功难以集中 输出。 鉴于此，本文的重点是对声压放大器进行了深入研究，并研究了热声发动机 的声功输出特性，具体工作如下： l - 针对目前声压放大器声功损失过大的现状，对声压放大器进行了改进研 究，并通过理论研究提出了两级声压放大器的概念，对该两级声压放大器进行了 数值模拟和实验研究。 2 为有效引出热声发动机的声功，对本课题组提出的双路声功输出方案进 行了深入的实验研究。 。声芦，z 妒硕士学位论文 第二章热声理论 第二章热声理论 2 1 热声效应的理论基础 热声效应是热与声之间相互转换的现象，即声场中的时均热力学效应。热声 热机本质上是一种通过热声效应实现热能与声能之间相互转化或传输的装置。 按照能量转换方向不同，热声效应可以分为两类l ：一、热声发动机，即 实现热一功转换的装置；二、热声制冷机，即实现功一热转换的装置。在热声发 动机中，气体工质在沿固体介质纵向振荡的同时，与固体介质发生横向热量传递， 在经过一个循环后热量被气体工质从高温端传递到低温端气体，一部分热能转化 为声能；在热声制冷机中，气体工质在压力波的驱动下沿固体介质纵向振荡，并 与固体介质发生横向热量传递，在经过一个循环后，热量被气体工质从低温端传 递到高温端，这个循环过程要消耗功。下面我们从热声学的角度来解释热声效应。 分析在驻波声场中放入与声波传递方向平行的第二介质一板叠( 如图2 1 所 示) 的情况，在固体边界位置y = o 处，声场中沿x 方向有一个非零的温度梯度的声 振荡。 五 图2 1 驻波声场中的平板坐标示意图 假设振动的压力、温度、速度等物理参数，均随时间按正弦规律变化，并将 各物理量表达为如下的统一形式： p ( x ，y ，z ，f ) = 如+ r e p i ( x ) e “】( 2 1 ) t ( x ，y ，：，f ) = l ( x ) + r e 【王( x ，) ，三) 口槲】( 2 2 ) u ( x ，y ，z ，f ) = r e u , ( x ，”z ) e “】( 2 3 ) 1 1 p 夕， 妒硕士学位论文第二章热声理论 u = r e u l ( x 弦“】( 2 4 ) 式中，p 、八“和盼别表示流体的压力、温度、速度和体积流率，其中下标m 表示平均值，下标为1 的量是复数量，既表示了物理量振幅的空间分布，又反映 各物理量之间的相位关系，p 则表示各物理量的时间依存性。时变量相对于平均 量非常小，忽略二阶以上小项。公式( 2 3 ) 中没有平均速度表明在振荡流中没 有叠加的稳定流动。 先分析声场中气团温度的波动情况，如果忽略x 方向上的导热、不考虑二次 项，且仅考虑y 方向，由通用传热方程【6 】，可以简化得到如下传热方程： 鹏嘲+ 警) _ 咖= 后窘 利用边界条件t i ( 0 ) = 0 ，t 1 ( ) 为某一有限值，方程( 2 5 ) 的解为： 石= 舞一善 1 一e - ( 1 + i ) y d k 】(26)0) 成巳 m 7 式中，口t =，为板叠的热渗透深度。 对于距离平板足够远的气体( y 气) ，一1 “嚷约等于零。令公式( 2 6 ) 的 右项为零，可以得到临界温度梯度的表达式h 5 】： v ：罂 ( 2 - 7 ) 乒k c 。 式中，= 一( o p o r ) 。成，为热膨胀系数。 对于临界温度梯度可以这样理解：当声场中沿x 方向有一个非零的温度梯度 时，流体微团的振动位移会带来温度的变化；如果这个温度变化刚好等于由于压 力波动所带来的温度变化，这种温度梯度被称为临界温度梯度。 类似地，可以得到声流的表达式4 町： e z = l l - i 吒缸等蝌( r 一1 ) ( 2 8 ) 巳岛 式中，r = v 7 ：l v ，为实际温度梯度与临界温度梯度的比值；兀为板叠平面 周长。 1 4 够y m 3 z 妒硕士学位论文第二章热声理论 公式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 可以直观的解释热声效应。由公式( 2 7 ) 可以看出： 当平板的温度梯度v 乙等于v 7 时，由于压力波动所引起的温度变化量，正好 与气体位移变化时由平板温度梯度引起的温度变化量相抵消，对外表现为没有温 度变化。如果v 乙 v 时，会发生热致声效应，热声发动机正是根据此效应 工作的；可乙 l 时，热声效应导致功流大于零，即热 声效应表现为热流从高温端流向低温端，并将部分热量转换为声功输出，这种热 声机械就是热声发动机；当r 1 时，热声效应导致功流小于零，即热声效应表 现为热流从