（制冷及低温工程专业论文）热声热机回热器特性研究.pdf

m a s t e rd i s s e r t a t i o n r e s e a r c ho nc h a r a c t e r i s t i c so f r e g e n e r a t o r i nt h e t h e r m o a c o u s t i ce n g i n e a p p l i c a n t ：x i 琶! i 曼望：l q 坠g 11，iloiior：refri2erationa n dcrvoeenice n g i n e e r i n 2 s u p e r v i s o r ：l ：q ! 垒苎墨q l i 坠至i ：星i s u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f f i l m e n tt h er e q u i r e m e n tf o r t h ed e g r e eo fm a s t e r a p r i l ，2 0 1 1 s c h o o lo fe n e r g ys c i e n c ea n de n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，p rc h i n a l58 3j-洲9叭1洲y 原创性声明 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。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 y 、 作者签名：聋孟拯 日期：二墨生年月笪日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：卫l 年上月旦 _-_illlll_j_-_llllllllllllllllllllllllllll 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 回热器作为热声热机的关键部件，其深层的热声转换机理一直是 国内外相关领域的研究重点。本文在前人工作基础上，主要从回热器 本身的结构动力学特性出发，对热声回热器内的声辐射特性、结构频 率和振动特性进行了理论分析、数值模拟和实验研究工作。 针对回热器的结构特性，对回热器内的结构声理论进行了介绍， 分析了回热器内结构声产生的两种激励方式一声激励和振动激励的 产生和对热声系统内部声场的影响。提出了利用近场声全息技术研究 热声内部声场的各种声参量以及热声系统内的声全息数据的测量方 法；建立了三维板叠回热器模型，分别对板厚和板间距为0 6 r a m 、 o 8 m m 和1 o m m 的回热器进行了静力学分析、模态分析及谐振动下 的动力参数等的响应研究；在对实验台进行改进的基础上，对板厚为 0 6 r a m 和板间距为0 6 m m 的板叠进行了实验研究，并与蜂窝陶瓷和 金属丝网两种不同形式回热器在热声热机内工作的主要性能参数进 行了实验对比。 主要得出：( 1 ) 不同板厚的回热器的固有频率相差较大，而板间 距对回热器的固有频率影响较小。( 2 ) 不同结构的回热器呈现不同的 振动模态和振型；回热器的各动力学参数在固有频率附近达到最大； 回热器的中部位置是其对气体微团作用最强的区域。( 3 ) 通过对多种 不同结构参数的回热器动力学频率响应特性对比，得出0 6 r a m 板厚 和0 6 r a m 板间距的板叠式回热器对频率的响应比较归一，有利于起 振阶段热声系统内能量的集中。( 4 ) 相同充气压力和加热功率下，板 叠回热器热声热机达到的压比最高，陶瓷回热器最低，丝网式回热器 介于两者之间；相同条件下，丝网回热器最易起振，板叠回热器次之， 蜂窝陶瓷较难起振。以板叠回热器为例，热声系统在1 4 5 起振，起 振温差大约为1 18 ，对于工业中的中低温余热等热源利用是可行的。 ( 5 ) 热声系统的最终稳定振荡频率是由谐振管对整个能量的重新分 配决定的。回热器中气体微团在系统起振一开始产生的高频自激振荡 频率是存在的。 关键词：热声热机，回热器，动力学响应，实验研究 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a sr e g e n e r a t o ri st h ec r u c i a lc o m p o n e n to ft h e r m o a c o u s t i ce n g i n e ， t h et h e r m o a c o u s t i cc o n v e r s i o nm e c h a n i s mo fi th a sb e e nc o n s i d e r e da s t h ek e y p o i n ti nr e l e v a n tf i e l db o t ha th o m ea n da b r o a da ta l lt i m e s b a s e d o nt h ep r e v i o u sr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s ，t h ea u t h o rd o e st h e o r ya n a l y s i s ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d yf o ra c o u s t i cr a d i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，s t r u c t u r ef r e q u e n c ya n dv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o f t h e r m o a c o u s t i c r e g e n e r a t o r , s t a r t i n g f r o mt h es t r u c t u r e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s i nt h i sp a p e r , t h et h e o r yo fs t r u c t u r e b o m es o u n di nr e g e n e r a t o ri s i n t r o d u c e da n dt w ow a y s ( a c o u s t i ce x c i t i n ga n dv i b r a t i o ne x c i t i n g ) o f s t r u c t u r e - b o r n es o u n dp r o d u c t i o no fr e g e n e r a t o ra n dt h e i ri n f l u e n c eo n t h es o u n df i e l do ft h e r m o a c o u s t i cs y s t e mi s a n a l y z e d t h e nm e a s u r e m e t h o d st os t u d ya c o u s t i cp a r a m e t e r so fs o u n df i e l da sw e l la sa c o u s t i c h o l o g r a p h i cd a t ai n s i d et h e r m o a c o u s t i cs y s t e mu t i l i z i n gt h en e a r - f i e l d a c o u s t i ch o l o g r a p h ya r ep r o p o s e d a3 df l a t - p l a t er e g e n e r a t o rm o d e li s b u i l tt od ot h es t u d yo fr e s p o n s ew i t hd y n a m i cp a r a m e t e ru n d e rs t a t i c s a n a l y s i s ，m o d a la n a l y s i sa n dh a r m o n i co s c i l l a t i o na n a l y s i sw i t ho 6 r a m ， o 8 m ma n d1 o m mp l a t et h i c k n e s sa n dp l a t es p a c e t h e e x p e r i m e n t r e s e a r c ho ft h es t a c kw i mo 6 m mp l a t et h i c k n e s sa n d0 6 m mp l a t e - s p a c i n gh a sb e e nc a r r i e do u ta f t e ri m p r o v i n go n t h ee x p e r i m e n tr i g ，a n d e a c hm a i np e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro ft h i sk i n do fs t a c kh a sb e e n c o m p a r e d w i t ht h a to fc e l l u l a rc e r a m i cr e g e n e r a t o ra n dm e s hr e g e n e r a t o r t h er e s e a r c hr e s u l t sa r e ：( 1 ) n a t u r a lf r e q u e n c yo fr e g e n e r a t o rw i t h d i f f e r e n tp l a t et h i c k n e s s - v a r i e sal o t ，w h i l ep l a t es p a c eh a sl i t t l ei n f l u e n c e o nn a t u r a lf r e q u e n c yo fr e g e n e r a t o r ( 2 ) e a c hk i n do fr e g e n e r a t o rh a s u n i q u ev i b r a t i o nm o d a la n dm o d e ；t h ed y n a m i cp a r a m e t e r so fr e g e n e r a t o r r e a c ht h e i rm a x i m a lv a l u ew h e nt h ef r e q u e n c yo fr e g e n e r a t o ri sn e a ri t s n a t u r a lf r e q u e n c y ；m o r e o v e r , g a sp a r c e l sa r ef o r c e dm a x i m a l l yi nt h e m i d d l e o fr e g e n e r a t o r ( 3 ) a f t e r c o n t r a s t i n gt h ed y n a m i cf r e q u e n c y r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tk i n d so fr e g e n e r a t o r , t h er e s u l t ss h o w t h a tt h es t a c kw i t ho 6 m mp l a t et h i c k n e s sa n d0 6 m mp l a t es p a c i n gh a sa f a v o r a b l er e s p o n s et ot h ef r e q u e n c y , s ot h a te n e r g yi nt h et h e r m o a c o u s i t c n a b s t r a c t i l ya tt h es t a r t i n gp h r a s eo fo s c i l l a t i o n ( 4 ) t h e r m o a c o u s t i c e n g i n e w i t h f i a t - p l a t e r e g e n e r a t o r h a s h i g h e s tp r e s s u r e r a t i oa n dc e r a m i c h o n e y c o m b r e g e n e r a t o rh a sl o w e s tp r e s s u r er a t i ou n d e rs a m eg a sc h a r g i n gp r e s s u r e a n d h e a t i n gp o w e r m o r e o v e r , u n d e rt h e s a m e c o n d i t i o n ，m e s h r e g e n e r a t o ri st h ee a s i e s to n et of i n i s hv i b r a t i o ns t a r t i n gp r o c e s sa n d c e r a m i ch o n e y c o m br e g e n e r a t o ri st h eh a r d e s to n e t a k e f l a t - p l a t e r e g e n e r a t o ra sa ne x a m p l e ，t h e r m o a c o u s t i cs y s t e mi ss t a r t i n gv i b r a t i o na t 14 5 a n dt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei sa b o u tii8 c t h u s f l a t p l a t e r e g e n e r a t o rc a nb eu s e df o rw a s t eh e a tr e c y c l ed u r i n gi n d u s t r yp r o d u c t i o n ( 5 ) t h e s t a b l ev i b r a t i o n f r e q u e n c y o ft h e r m o a c o u s t i c s y s t e m i s d e t e r m i n e db ye n e r g yr e d i s t r i b u t i o nt h r o u g hr e s o n a n c et u b ea n dh i g h f r e q u e n c ys e l f - o s c i l l a t i o no fg a sp a r c e l si nr e g e n e r a t o ri n d u c e dd u r i n gt h e b e g i n n i n go f v i b r a t i o np r o c e s si nt h e r m o a c o u s t i cs y s t e mi se x i s t k e yw o r d s ：t h e r m o a c o u s t i ce n g i n e ，r e g e n e r a t o r , d y n a m i cr e s p o n s e ， e x p e r i m e n t a ls t u d y 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v 第一章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 热声学理论基础”2 1 3 热声学发展历史与现状4 1 3 1 热声效应的发现及理论进展”4 1 3 1 1 热声效应的发现4 1 3 1 2 热声学理论进展5 1 3 2 实验热声学研究进展7 1 3 3 热声回热器研究综述8 1 4 热声热机起振机理1 0 1 5 本文的研究内容1 2 第二章热声热机回热器的结构声理论1 3 2 1 结构声的概念1 3 2 2 回热器中的结构声1 3 2 2 1 结构声的产生1 3 2 2 2 结构声的振动激励1 5 2 2 3 结构声的声激励”1 6 2 3 基于波叠加方法的声全息技术18 2 3 1 声全息算法18 2 3 2 热声声场声全息数据测量方法2 0 2 4 本章小结2 1 第三章热声回热器的静力学与动力学分析”2 2 3 1热声板叠回热器声辐射理论模型”2 2 3 2 回热器的静力学分析2 4 3 2 1 静力学模型建立“2 4 3 2 2 静力条件下的模拟结果2 5 3 3回热器结构动力学分析2 7 3 3 1 动力学模型建立2 7 3 3 2 回热器的模态响应2 8 3 4a n s y s 的谐振动分析3l 3 4 1 不同板厚的回热器谐响应3 2 3 4 2 不同板间距回热器谐响应3 5 3 4 3 回热器内不同位置点的谐响应3 7 3 5 本章小结3 9 第四章热声热机回热器的实验研究4 1 4 1 实验装置与测量方法“4 1 4 0 1 热驱动热声发动机系统4 2 4 1 2 测量系统和信号采集系统4 3 中南大学硕士学位论文 目录 4 1 3实验信号测量方法4 5 4 2 实验步骤“4 6 4 3 不同形式回热器填料的实验分析”4 6 4 3 1 板叠式回热器4 7 4 3 2 蜂窝陶瓷回热器5 0 4 3 3金属丝网式回热器”5 3 4 4 本章小结5 5 第五章总结和展望5 6 5 1 全文总结与结论“5 6 5 1 1 本文主要工作总结5 6 5 1 2 本文主要结论5 6 5 2 本文的主要创新点”5 7 5 3下一步的工作展望“5 7 参考文献5 9 附录1 热声发动机实验台照片6 3 致谢6 5 攻读硕士学位期间主要研究成果6 6 v 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 热声热机是基于热声效应而工作的一种新型的能量转换机械。热声现象从发 现到目前已经有近2 0 0 多年的历史，但实际上对热声热机的理论和应用基础进行 系统研究于上世纪8 0 年代开始，主要还属于基础研究阶段。近年来，热声热机 在很多领域的独特优势引起了国内外很多学者的广泛关注，理论和实验研究上都 取得了重大进展，特别是热声热机在某些领域应用的巨大潜力更加推动了热声技 术的迅速发展。 基于热声效应进行工作的热声热机有着诱人的发展前景，相对于传统热机而 言是一个全新的领域，其优势主要体现在：( 1 ) 从根本上消除了传统热机中的运 动部件，解决了振动和磨损等问题，具有结构简单、运行可靠、寿命长等优点； ( 2 ) 一般采用环保惰性气体为工质，摒弃了氟利昂等对环境有害的缺点，符合 绿色环保的要求；( 3 ) 能源驱动形式多元化，可以利用低品位热能，如太阳能和 工业废热等，对于那些缺乏电能的场合更具实际意义；( 4 ) 在电子芯片和半导体 材料广泛应用的今天，微型化的高频热声制冷机对其热管理方面也有极大的应用 前景。正是基于这一系列的优势，热声热机可望取代传统热机成为一种新型的能 源转换装置。 目前，国际上对热声热机的研究已经取得了很大进展。例如，s w i f t ： 1 j 课题组 设计的行波型热声发动机进行多次研究改进，可以用3 0 的天然气燃烧驱动热声 制冷机来液化其他7 0 的天然气，热声转换效率可达到3 0 ，相对卡诺效率达 到0 4 2 ，基本可以和传统的发动机和内燃机媲美，是热声热机步入实用化的先驱。 理论研究方面，目前比较公认的是适用于小振幅的线性热声理论，但对于微型的 热声系统，其诸多非线性的因素使线性理论不再适用。 另外国内外诸多其他的理论如短板边界层理论、网络模型理论、定常流理论、 交变流理论等处于进一步研究发展阶段，在目前的应用方面有一定的局限性或者 和工程实际有较大偏差，对于系统的、公认的热声理论还待进一步完善。在热声 热机理论和实验研究取得了一系列进展的情况下，目前热声发动机的工程化和热 声制冷技术还有待于进一步的发展，有着严峻的科学问题和技术问题亟待解决 【2 5 】。热声转换效率及其输出功率密度较低一直是制约其应用化发展的两大瓶颈， 以目前现有的热声热机为例，系统的热声转换效率一般为3 0 0 - 8 ，功率密度只 有几瓦每平方厘米，另外热声热机的小型化和微型化、系统起振和运行的不可预 见性和不可操控性等一系列复杂条件，已经成为热声研究领域急需解决的任务。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 正是在这样的背景下，为进一步探索热声机理、解决热声热机存在的各种不 足，本文从热声热机的关键部件一回热器入手开展热声回热器在热声系统中的理 论和实验研究，以及热声回热器结构声对热声热机的影响的研究工作。 1 2 热声学理论基础 通常状况下，流体介质在传播的过程中伴随着温度和压力的振荡，只不过在 日常生活中，由于环境大气的气体惯性质量小，因此这种温度和压力的振荡相当 微弱以至于人们没有察觉到，但在热声系统内部的高压密闭环境中，这种声波在 固体介质周围的温度、压力、位移振荡的结合形成了丰富的热声效应。 热声效应就是声与热在满足一定条件下的相互转换现象。基于热声效应工作 的热机就称为热声热机，回热器是热声系统内热声效应发生的主要场所，当振荡 流体通过固体的回热器时与其发生相互作用，使气体介质的速度相位和压力相位 出现一定的相位差，从而将这种振荡放大，周期性的供热用来弥补这种系统内的 耗散，使热声内气体介质的这种振荡维持下去。热声热机包括热声制冷机和热声 发动机两类，即声产生热和热产生声，也称声驱动的热量传输和热驱动的声振荡。 另外根据热声系统内气体压力波和速度波相位的不同，热声发动机又分为两种形 式：驻波型的热声热发动机和行波型的热声发动机。驻波热声系统中气体的压力 振荡和速度波的相位差为9 0 0 ，在纯波型系统中的相位相同，由于驻波不能输送 能量，实际的热声热机同时具备行波和驻波两种分量。 谐振腔 图1 = 1 热声热机系统原理图 为了更好的说明，我们先给出包括热声回热器在内的一个热声系统的简图， 把热声热机简化为由空管路( 热腔、谐振管) 、热声器件、热端换热器、冷端换热 器及谐振腔组成的系统，如图1 1 所示。r a y l e i g h 给出了热声转换的实质：热声 系统内的气体介质在做声振荡时，若在其最稠密的时候热量从气体介质传向回热 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 器，而在其最稀疏时热量从回热器传给气体介质，声振动就会得到衰减，这时声 能转变为热能；相反的，在其最稠密的时候热量从气体介质传向回热器，而在其 最稀疏时从回热器传向气体，声振动就会得到加强，这时热能转变为声能，这就 是著名的瑞利判据i 引。 回热器是热声系统中的关键部件，热声系统要起振，必须使里面的气体介质 的热波和压力波满足一定的相位，而回热器正是进行热声调相的场所。为了更好 的理解热直循环的关键，我们给出热渗透深度的概念，即热渗透深度 为”七一、7 叩m c d 。现有热声理论指出气体与回热器间扩散的热输送在此区域才 是最重要的，正是这个原因，板叠等回热器和其间隙才成为热声循环的中心。热 渗透深度的物理意义是指在一个声振荡周期弘彬的时间内热渗透的距离，热渗 透深度包括固体热渗透深度和气体热渗透深度。对于固体的热渗透深度，表示在 固体介质中温度波的侵入距离。它由气体或固体的热导率k ，气体的平均密度砌 和单位质量的等压比热容白以及声波的角频率来决定【9 】。以板叠回热器为例， 板叠在热渗透区域内改变声波的特性，如果在声波接近最大压缩相位时热量从板 叠传给气体，在接近最大膨胀相位时热量从气体传给板叠，这时的热声装置产生 净声功，为热声发动机。 如图1 2 显示了板叠附近的一个气体微团的理想热声循环过程，这种循环必 须在板叠两端有足够大的温度梯度。首先气体微团从环境吸收声功被绝热压缩， 热量从板叠传给被压缩的气体微团，气体微团受热膨胀向右运动对环境做功，在 冷端热量从气体微团传给板叠，自身放热收缩。这里应该强调的是这几个过程只 是离散化的理想过程，实际热声循环是按连续时间曲线变化的，具体见文献【l o , 1 6 】 的热声循环包络线。这些气体微团的集体作用产生净的声功。热声制冷机依靠相 同的原理在气体微团和板叠间交换热能，如果声波在达到最大膨胀时热量从板叠 传给气体微团，而在达到最大压缩的相位时热量从工作流体传向板叠，这时热声 装置将热量从热端搬运到冷端，产生制冷效应，成为热声制冷机，如图1 3 所示。 执冷 、 l f热冷 图1 2 热声发动机装置原理图图1 3 热声制冷机装置原理图 3 声能 气流 加热 丝网 加热 声能 图1 - 4s o n d h a u s s 管热声振荡示意图图1 - 5r i j i k e 管热声振荡示意图 18 7 8 年英国人l o r dr a y l e i g h 在n a t u r e 上发表了一篇名为 t h ee x p l a n a t i o n 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 o fc e r t a i na c o u s t i c a lp h e n o m e n a 的论文第一次详细的阐述了热声效应【l4 1 。他所 提出的准则被称为r a y l e i g h 准则，这一被公认的准则是研究热声效应的基础也 是目前对热声效应最好的解释。上世纪七十年代n i l o l a u sr o t t 首先对热声效应进 行了定量的理论分析。在理论上描述了热声效应中存在着热和功的直接转换，导 出了理想气体的驻波声场方程，他建立的理论框架为以后分析热声热机提供了坚 实的理论基础。至此，热声学被发现并开始引起科学家们的广泛关注和研究。 1 3 1 2 热声学理论进展 到目前为止热声理论已经被很好的建立并且广泛应用。但是更精确的用于定 量计算的热声理论还存在好多不足，特别是针对大振幅振荡的热声非线性效应在 经典的线性理论下存在较大偏差。1 8 9 6 年r a y l e i g h 对热声振荡现象给出了定量 的推导和解释，即所谓的瑞利判据。为了解决t a c o n i s 振荡的稳定性问题，n r o t t 在1 9 6 9 至1 9 8 0 年间，对热声理论进行了大量理论研究，建立了热声系统内部理 想气体的驻波声场，其提出的热声理论成功运用于揭示热声内部的热声转换机理 并且为热声热机的设计提供了理论依据，y a z a k i 等人的通过实验论证的方法证 实了其理论的正确性，通过在大型热声热机小振幅情况下的实验对比，二者的结 果达到了很好的吻合。 1 9 8 8 年，美国l o sa l a m o s 的s w i f t 教授在r o t t 等人研究的热声线性理论的 基础上进步的阐述和推导了热声系统内部热声转换的深层机理，其提出的热声 理论成为今后指导热声理论发展的基础，对热声理论的进一步发展起了很大的推 动作用【l7 1 。w 砌和s w i f t 编制了一套热声计算程序d c l t a e ( d e s i g ne n v i r o n m e n tf o r l o w m a m p l i t u d et h e r m o a c o u s t i ce n g i n e s ) ，该程序基于的是线性热声理论。可广 泛应用于热声发动和热声制冷机的谐振管、简单管网以及各种复合结构。它不仅 可以用来设计新的热声系统，也可以用来预测系统的性能，该程序已经有多个版 本，被广泛使用并在不定期地进行完善。 1 9 9 9 年s b a c k h a u s 和qw s w i f t 教授联合署名在n a t u r e 上发表了题为a t h e r m o a c o u s t i c s t i r l i n gh e a te n g i n e , 的论文，标志着热声热机开始进入应用研究 阶段【l 引。在2 0 0 6 年他们提出非线性的振荡流( o s c i l l a t i n gf l o w ) 和声流( s t r e a m i n g f l o w ) 的共同作用造成了回热器内部流动的不稳定性，造成这种不稳定性的因素 是由于气体在回热器内部的流动是非线性的。s b a c k h a u s 和qw s w i f t 无疑是 国内外热声领域最具代表性的学者，他们的研究总是深入的揭示热声热机内部的 本质问题，始终走在世界的前列。 近几年来，l sk e r g e t 和j r a v n i k 1 9 】利用完整的n a v i c r s t o k e s 方程并通过 数值边界积分方程求解方法域与小波域分解和耦合，进行热声内的流场和温度场 中南大学硕士学位论文第一章绪论 的数值计算，并对经典傅立叶热通量模型和波热传导模型进行了研究对比。 b a i l l i e t 2 0 】等也考虑了耦合热声系统行为的温度梯度的影响，在研究电动扬声器与 回热器之间的耦合网络模型时热腔计算忽略不计。对于热驱动的热声发动机和热 声制冷机，由于前者温度的梯度比后者要大，因此事实上这种影响是不容忽视的。 李青，郭方中，涂虬【2 1 2 5 】等人用网络模型对热声系统内的各个组件( 包括回热器、 冷热端换热器、谐振管) 进行分析，计算了热声发动机内的系统振荡频率。此外， 考虑了回热器内纵向温度梯度对模型矩阵元素的不同影响。 在国内，中科院低温中心的肖家华教授首先开展了对热声理论的研究。他提 出可将热声效应划分为三种情况：等温热声效应、绝热热声效应和一般情形的热 声效应。在此基础上，肖家华建立了回热式制冷机热声理论的定性框架。中科院 理化所的罗二仓教授等人建立了热声交变流理论，用于热声系统内部的工作机 理，其还研究了热声驱动的脉管制冷机的性能和机理。2 0 0 4 年，罗二仓提出了 聚能型发动机，使得我国在热声发动机技术方面取得很大的突破。过去国际上采 用的大多是驻波发动机，到了1 9 9 9 年才开始用行波发动机，而罗二仓的研究团 队也是国际上这一领域的先驱者。 浙江大学的陈国邦和邱利民等主要针对热声驱动的脉管制冷机进行了一系 列研究，提出并发展了热声交变流理论。通过对热声驱动器的结构与运行参数的 优化，以及在取得最优制冷性能方面进行了改进，其自行研制的热声驱动脉管制 冷机上取得8 8 6k 的最低制冷温度。另外他们采用两级声压放大器将系统压比 提高到了1 5 左右。 殴 l i r 气 i 鬻 。- 一 一患嘲 鬟 陴 一 寸。 终一，一 i _ l ? 嚣霭蕊一鼍黼。一一。簟嗣囊二誓_ 萌_ - 鳓嚼麴n 砰器搿2 ；自彩1 习 隧j 一一一。 。d a 童 艮 瞳m 。 。# 。 图1 - 6s w i f t 建立的热声斯特林发动机 华中科技大学的郭方中和邓晓辉教授讨论了热声转换过程的本质，完善了回 热器的有源网络模型理论，进而通过电与声的类比将热声回热器转换为电网络， 再分别研究每个部分的特性和系统的匹配。他的理论近年来已经被国内外专家逐 渐认可并进步一研究和深化。 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 2 实验热声学研究进展 1 9 9 2 年，s 晰r 等在一直径为1 2 8 m m ，长度为4 3 2 0 m m 的热声驱动器上采用 惰性气体h e 作为工质，充气压力为1 3 8 b a r 的热声发动机产生6 3 0 w 声功，压 力振幅为平均压力的3 1 0 ，效率达到9 。另外，为了提高热声驱动器的声能 密度和高效率，他们提出了在热声驱动器中采用液体工质，液态工质具有密度大， 普朗特数低等特点，比如液态钾、液态钠和烯等。以它们为工质的热声驱动器具 有大功率和高效等特点。 美国的l o s a l a m o s 实验室成功研制出了一台行波驻波混合型的热声装置( 如 图1 6 所示) ，用于天然气液化，这是热声应用方面比较成功的例子，该热声发 动机可以用3 0 的天然气作为燃料来驱动s t i r l i n g 制冷机液化剩余7 0 的天然 气，该装置在实验室中取得4 2 的相对卡诺循环的热效率和3 0 的热效率，可 以和传统的内燃机( 2 5 - - - 4 0 ) 相媲美【2 6 , 2 7 】。目前该设备还在进一步的研究改 进中。 热端换热器 板叠 水冷却器 共振管 高温消声器 图卜7 热声驱动器结构图 另外，2 0 0 1 年美国宾州大学的c h e n 和g a r r e t t 等还建成了一台一端开口的1 4 波长太阳能驱动型热声驱动器，整机总长4 0 c m ，谐振频率为4 2 0 h z 。西安 交大也研究了不同入射角度下( 从9 0 0 到9 0 0 ) 太阳能热声发动机的性能，结果 发现不同入射角度对回热器冷热端的温差影响主要取决于工质的粘度，粘度越 低，影响越大。同等入射角度和条件下，氮气比氮气有更大的冷热端温差，太阳 入射角度对压力、压比、谐振频率都基本没有影响。 2 0 0 9 年，e m m a n u e lc n s o f o r a z r ma 1 i 等对不同的实验操作条件下的热声制 冷机方面的一些影响因素进行了研究。实验装置由热声制冷机、先进的控制系统、 仪器仪表和电子数据采集系统组成。采用铝管作为谐振管，但它里面内衬有塑料 管以减少传导热损失。通过研究得出系统产生的冷量随着回热器两端温差的增大 7 能之间的转换。可以说回热器是热声发动机的核心部件，其内部的阻力与换热特 性直接影响整个热机系统的效率和性能。 热声热机目前最常用的回热器主要有：金属丝网式回热器、板叠式回热器、 蜂窝陶瓷换热器、针束型回热器以及其他形式的回热器。从加工角度以及在不同 热声热机中的作用效果等方面每种回热器都有各自的优缺点。下面就针对目前几 种比较常见的回热器做一简单介绍。 1 - 3 3 1板叠式回热器 板叠式回热器又称平板型回热器( 如图1 8 所示) ，可由金属直接线切割而 成，也可利用金属薄板与金属套筒手工焊接形成。板叠式回热器具有较高的效率， 是热声回热器中比较常用的一种形式。板叠式回热器由于孔隙率大于金属丝网因 此其横向导热效果较弱，但相比其他类型的回热器其气体通道规则，流动阻力较 小。在高频热声热机中，存在加工难度大的问题，此时微型的板叠式回热器有着 更精密的加工要求。在某些热声热机中，为了制作和安装简单，通常用绕制成的 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 螺旋卷筒形代替板叠回热器，二者具有相似的结构。国内外学者分别对板叠回热 器的填充率、形状结构、布置方式以及材料特 性等进行了研究。如刘益才【3 0 啦】等对板叠回热 器的吻合频率和在热声系统的频率特性进行了 研究；罗二仓【3 3 】等利用交变流理论分析了热声 回热器内气体介质的深层的流动和换热机理并 且进行了一系列实验研究。此外，国外学者b i w a 等从能量守恒的角度研究了包括板叠回热器在 内的回热器内部功流分布，其研究表明：不同 振动频率的声波在回热器内产生，最终在谐振 管的调制下归一化，谐振管谐可以发挥声波放 大作用，利于热声高品质能量的输出。 1 3 3 2 金属丝网式回热器 图1 8 板叠回热器 金属丝网式回热器( 如图1 - 9 所示) 属于典型的多孔介质，是由丝网片先成 型再堆积而成，一般用线切割或者模具冲压成圆形，其优点是填装制作相对方便、 价格低廉、加工简单。由于金属丝网横向 导热效果好，而且加工和填装过程的随机 性，金属丝相互交错，致使其流动阻力大。 在低频热声系统中我们通常采用丝网堆积 的回热器，但在高频系统中由于杂乱堆积 的丝网会导致回热器处的气体阻力较大， 所以一般换用其他形式的回热器。数值模 拟方法是研究多孔介质中流动和换热的有 效方法，但丝网的物理模型不易建立，给 分析带来一定难度。浙江大学的邱利民、 图1 - 9 金属丝网回热器 蒋宁、陈国邦【3 4 】进行实验研究得出：丝网回热器的最佳填充率为1 1 5 片m m ， 另外多种不同丝径、不同目数和不同材质的丝网等的组合的综合参数越大的回热 器有较好的效果。西安交通大学的高凡，何雅玲等【3 5 】研采用导热率较低的丝网 换热器热声效果较好，对于一般的金属丝网回热器可以通过改变其填充率，即增 大每片丝网之间的间隙来减少回热器的轴向导热，保证回热器两端的温度梯度， 从而使热声转换效率更佳。 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 3 3 蜂窝陶瓷式回热器 蜂窝陶瓷回热器( 如图1 1 0 所示) 是直接利用整块蜂窝陶瓷中间制成各种 形状的空隙加工而成，也可以直接根据自己需求找厂家定做。相比其他形式的回 热器蜂窝陶瓷有以下优点：同种材质下有多种 优化配方以匹配不同的使用工况，成熟的定形 技术保证气体通道光滑，流动阻力较小，孔形 主要有方孔和六方孔，孔壁厚一般为 o 5 5 m m ，孔径为o 5 3 0 r a m 。回热器整体具 有比表面积大、阻力小、蓄热能力强、热膨胀 系数小、抗化学侵蚀性强、耐热冲击性好等特 点。由于陶瓷材料的热导性决定蜂窝陶瓷回热 器的横向换热能力较差，因此可以更加保证回 热器两端具有较大且稳定的热源温度。对于蜂 窝陶瓷回热器孔径的选择目前还没有明确的 理论指导，基本都由经验确定。 图1 1 0 蜂窝陶瓷回热器 国内外很多学者针对回热器做了深入的研究。罗二仓等学者研究领域主要是 以丝网作为回热器填料的热声系统。他们从线性声学理论出发探讨回热器中交变 流动情况下的频率特性，并通过计算与实验分析得出：低目数丝网填充的回热器 更容易使系统起振，同时，起振温度随着工作压力的增加而降低；相同的输入功 率和充气压力下，压比和加热块温度都随着目数的增大而升高；相同输入功率和 目数下，压比和加热块温度随充气压力的增大而降低：丝网目数对系统频率的影 响很小。李青教授和华中科技大学制冷与低温实验室的学者们主要是采用网络类 比法对回热器热声效应机理进行描述，并建立起网络类比数学模型，通过该模型 对回热器的频谱特性进行分析和比较。为回热器填料的选择以及回热器与热机系 统频率的匹配提供理论依据。浙江大学制冷与低温研究所陈国