（制冷及低温工程专业论文）驻波型热声驱动脉管制冷机性能研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 驻波型热声驱动脉管制冷机性能研究 寿琳 ( 浙江大学制冷与低温研究所，杭州，3 1 0 0 2 7 ) 摘要 热声驱动脉管制冷机这种无机械运动部件的新型制冷系统已经成为制冷与低温学 术领域的研究热点，并且也受到了工业界的关注。该系统没有机械运动部件，具有结 构简单、运行可靠、无污染等优点。 本文首先回顾了热声热机的发展历史及其应用前景，介绍了热声理论的研究进展， 分析了研究非线性热声理论的必要性，并总结了非线性热声理论的研究进展。在此基 础上，重点开展了以下研究工作： 1 ) 分别介绍了驻波型热声发动机改进前后的加热器、水冷器和高温气库的结构、作用 及其对热声系统性能的影响。 2 ) 对改进前后的热声发动机系统在未带负载、带声压放大器加阻容( r c ) 负载、带 声压放大器加脉管制冷机三个方面的性能分别进行了比较和分析。发现改进后的热 声发动机系统能带动更长的声压放大器，在更高的加热功率下工作，使得声压放大 器出口处能得到更大的压比和压力振幅，系统能够提供给r c 负载的最高声功增大， 脉管制冷机能够达到的最低制冷温度降低到7 5 6 2 k ，比改进前所能达到的最低制冷 温度7 9 7 k 进一步降低。 3 ) 对声压放大器的压力放大作用进行了理论分析。并通过数值模拟及实验探讨声压放 大器长度变化对热声发动机系统性能的影响，发现在r c 负载声阻不同的范围内， 系统的性能随着声压放大器长度的变化趋势有很大差别。 4 ) 总结了在实验中观察到的频率跳变现象。通过对频率跳变现象的总结，将驻波型热 浙江大学硕士学位论文 声系统的运行模式分类，对跳频现象出现的声阻范围、跳频现象随输入功率的变化 关系以及跳频现象和声压放大器长度的关系进行了分析和总结。并且采用s k 丑i p o v 和a p r o s 州c i 等人提出的弱非线性模型对实验中出现的频率跳变现象进行了定性 的分析和解释，并发现实验结果基本符合该非线性模型的理论分析。 关键词：热声驻波声压放大器r c 负载脉管制冷机 浙江大学硕士学位论文 i n v e s t i g a t i o no np e r f o r m a n c eo f a s t a n d i n g - w a v e t h e r m o a c o u s t i c a l l yd r i v e np u l s et u b e s h o u l i n ( c r y o g e n i c sl a b o r a t o r y , z h e j i a n gu n i v e m i t y , h a n g z h o u31 0 0 2 7 ，p r c h i n a ) a t h e r m o a c o u s t i c a l l yd r i v e np u l s et u b er e f r i g e r a t o r , w h i c hh a sn om o v i n gp a r t s ，i sa t t r a c t i n g m o r ea n dm o r ei n t e r e s to fa c a d e m i cc i r c l e sa n di n d u s t r y t h i sn e wc o n c e p tr e f r i g e r a t o r o e c u p i e so u t s t a n d i n ga d v a n t a g e so fs i m p l i c i t y , r e l i a b i l i t y , s t a b i l i t y , l o n g e v i t y , n op o l l u t i o n a n ds o o n t h i sp a p e rr e v i e w st h ed e v e l o p m e n t sa n da p p l i c a t i o n so f t h e r m o a e o u s t i ee n g i n e s ，i n t r o d u c e s t h er e s e a r c hd e v e l o p m e n to ft h e r m o a c o u s t i ct h e o r i e s ，a n a l y z e st h es i g n i f i c a n c eo ft h e e x p l o r a t i o no fn o n l i n e a rt h e r m o a c o u s t i ct h e o r ya n dc o n c l u d e st h ed e v e l o p m e n to ft h e n o n l i n e a rt h e r m o a c o u s t i e s t h e n ，t h ef o l l o w i n gs e c t i o n sa r ec a r r i e do u t ： 1 ) t h es t r u c t u r e ，f u n c t i o na n dt h ei n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c eo ft h e r m o a c o u s t i ce n g i n e o fh e a t e r s ，w a t e r - c o o l e r s ，a n dh o tb u f f e r so fb o t ht h ef o r m e ra n dp r e s e n ts t a n d i n g - w a v e t h e r m o a c o u s t i ce n g i n eh a v eb e e nd i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y 2 ) t h ep e r f o r m a n c e so ft l l ef o r m e ra n dp r e s e n tt h e r m o a c o u s t i ce n g i n e sw i t h o u tl o a d t h e r m o a c o u s t i ce n g i n ed r i v e nr c ( r e s i s t a n c ea n dc a p a c i t a n c e ) 1 0 a dw i t ht h ep r e s s u r e a m p l i f i e ra n dt h e r m o a c o u s t i ce n g i n ed r i v e np u l s et u b er e f r i g e r a t o rh a v eb e e nc o m p a r e d a n da n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fe x p e r i m e n t a t i o n , i ti sf o u n dt h a tt h ep r e s e n t t h e r m o a c o u s t i ce n g i n ec a nd r i v eal o n g e rp r e s s u r ea m p l i f i e r , w o r ku n d e r “g h e rh e a t i n g p o w e ra n dp r o v i d eb i g g e rp r e s s u r er a t i oa n dp r e s s u r ea m p l i t u d ea tt h eo u t l e to ft h e p r e s s u r ea m p l i f i e r c o n s e q u e n t l y , t h em a x i m u ma c o u s t i cp o w e rs u p p l i e dt ot h er cl o a d b yt h ep r e s e n tt h e r m o a c o u s te n g i n ei si n c r e a s e dc o m p a r e dw i t ht h ef o r m e rs y s t e m t h e p u l s et u b er e f r i g e r a t o rd r i v e nb yt h ep r e s e n tt h e r m o a c o u s t i ee n g i n eh a sa c h i e v e da c o o l i n gt e m p e r a t u r ea sl o w a s7 5 6 2 k 1 0 w e rt h a nt h a to f7 9 7 kw h i c hi sa c h i e v e dw i t h t h ef o r m e re n g i n e 3 ) t h ee f f e c to na m p l i f y i n gp r e s s u r eo ft h ea c o u s t i cp r e s s u r ea m p l i f i e ri sa n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y t h ei n f l u e n c eo f l e n g t ho f t h ep r e s s u r ea m p l i f i e ro nt h ep e r f o r m a n c eo f t h e s t a n d i n g - w a v et h e r m o a c o u s t i ee n g i n ew a ss i m u l a t e da n di n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y i t i ss h o w nt h a ti nt w od i f f e r e n tr a n g e so fa c o u s t i cr e s i s t a n c e ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h e i l l 浙江大学硕士学位论文 s y s t e ma l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo f t h el e n g t ho f t h ep r e s s u r ea m p l i f i e rg r e a t l yd i f f e r e n c e s f r o me a c ho t h e l 4 1 f i r s t l y , t h ep h e n o m e n ao ff r e q u e n c ys h i f tt h a ti so b s e r v e di nt h ee x p e r i m e n ti sc o n c l u d e d a n dt h eo p e r a t i n gp a t t e r n so f t h es t a n d i n g w a v et h e r m o a c o u s t i cs y s t e ma r ec l a s s i f i e da n d d e f i n e dr e s p e c t i v e l y t h e l l ，t h er a n g eo fa c o u s t i cr e s i s t a n c ei nw h i c hf r e q u e n c ys h i f t s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf r e q u e n c ys h i f ta n di n p u tp o w e ra n dt h er e k 【t i o n s h i pb e t w e e n f r e q u e n c ys h i f ta n dt h el e n g t ho ft h ea c o u s t i cp r e s s u r ea m p l i f i e ra r ea n a l y z e da n d c o n c l u d e d e v e n t u a l l y , aw e a k l yn o n l i n e a rt h e o r yo ft h et h e r m o a c o u s t i ci n s t a b i l i t y w h i c hw a sp r o p o s e db ys k a r p o v ，a p r o s p e r e t t ie ta 1 i su s e dt oq u a l i t a t i v e l ya n a l y z e a n de x p l a i nt h ep h e n o m e n ao ff r e q u e n c ys h i f t t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sa g ef o u n dt o b eb a s i c a l l yi na c c o r d a n c ew i t ht h ew e a k l yn o n l i n e a rt h e o r y k e y w o r d s ：t h e r m o a c o u s t i c s ，s t a n d i n g - w a v e ，a c o u s t i cp r e s s u r ea m p l i f i e r , r cl o a d ，p u l s e t u b er e f r i g e r a t o r i v 浙江大学硕士学位论文 a 口 c 印 e h l ， k k ，工 丹 m 面积 声速 声容 定压比热 声功流 共振频率 焓、高度 虚数单位 声强 波数热导率 流体导热率 长度 多变指数 努谢尔特数 压力 普朗特数 热流 声阻 水力半径 雷诺数复数的实部 比熵 时间 温度 温差 温度梯度 速度 周长体积流率 体积 声功率 沿声传播方向 y 沿声传播垂直方向 主要符号表 v y 与y 相反方向 z 声阻抗 占 厚度渗透深度 a声波长 m 角频率 玎效率 ， 动力粘度 运动粘度 善 第二粘度 热膨胀系数 y绝热指数 p密度 f比内能 粘性应力张量 上、下标 气体 固体 平均量 一阶波动量 二阶波动量 粘性相关 热相关 临界值 取复数共轭 g j 脚2 y t 仃 p 阶 q r 耻j，丁盯w甜u矿矿工 学号2 q 5 q 塞2 5 3 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，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得澎鎏态堂或其他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。 学位论文作者魏者舛签字吼砷年占月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝望盘鲎有关保留、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。本人授权韭 垃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) 靴敝储摊嚆舛 签字日期：0 2 0 刁年月，| 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： i i i - 字日期：山- 歹年厶月、1 日 ， 、 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 本章将介绍本课题的研究背景，叙述热声理论的研究历史、现状以及热声系 统在不同领域的应用前景，最后简要介绍了本文的主要工作 1 1 课题背景 热力学过程广泛应用于日常生活中的各种空调、冰箱和发动机系统等，这些 设备的效率都受热力学定律及制造和运行费用的限制【1 】。热声发动机是基于热声 效应的一种新型压力波发生装置，其原理是利用热声效应，实现热能到声能转化 从而实现声功输出的声波发生器。系统中除振荡的气体之外，没有任何运动部件。 根据声场特性不同，热声发动机主要分为驻波型、行波型及驻波行波混合型三种 型式。相对于传统的发动机，具有寿命长、无运动部件和润滑装置、简单可靠、 无需维护的优点。同时，热声发动机由热能驱动，可用太阳能、燃气作为热源， 可以采用低品位的热能，尤其对于那些缺乏电能的场合则更具有实际意义。热声 发动机使用自然界存在的气体作为工作介质，不存在温室气体效应和污染物的排 放。 随着航空航天工业、红外遥感技术以及医疗技术等的发展，各种应用场合都 对低温制冷机的体积、重量、稳定性、寿命和效率等提出很高的要求1 2 4 。但目 前广泛使用的s t i f l i n g 型制冷机【5 。6 】和g m 型制冷机【_ 7 l 还不能完全满足工业要求， 主要是因为这些制冷机中都至少存在两个运动部件：压缩机和排除器。这些运动 部件的存在使得制冷机不能长寿命、稳定地工作。另外，排除器的存在，还可能 成为系统的一种干扰源，这对能感应微弱信号的高精度测量系统来说影响非常大 【羽。 很多应用场合要求低温制冷机有很高的可靠性和极小的振动。脉管制冷机的 出现为解决可靠性问题提供了一个新的思路。脉管制冷机结构简单、低温下没有 任何运动部件，从而避免了低温下的滑动密封、机械磨损等问题，可望成为低成 本，低振动，长寿命的低温制冷机。 脉管制冷机由于去除了低温排除器，使得低温端没有运动部件。但是驱动脉 管制冷机的压缩机多为机械式，它的存在使得整个制冷系统无法长期稳定运行。 浙江大学硕士学位论文 在此种情况下，人们想到了采用完全没有运动部件的热声发动机代替常规机械式 压缩机，因而出现了热声发动机驱动脉管制冷机系统，这种系统可望成为一种长 寿命的低温制冷机。 热声发动机利用热声效应将热能转化为声功，产生的声功可以用来驱动脉管 制冷机。二者的结合具有3 个主要优点：首先，该系统没有机械运动部件，结构 简单、制造成本低、可靠性高；其次，工作介质为环境友好气体；第三，该系统 直接以热能作为驱动源，可望应用于热能资源丰富而缺电的场合，特别是在边远 地区及海上油田天然气液化等方面具有广阔的应用前景【9 l 口 近年来，热声热机的研究非常活跃。热声发动机主要包括驻波型和行波型， 从驻波型发展到行波型的效率有了很大的提高。为了使得热声热机进一步商业 化，在提高热声发动机效率的同时要进一步增加其输出功率，进而进行大规模的 应用和生产，为此研究者提出了级联式热声发动机，并进行了实验研究i 。在 热声制冷机方面，经历了从小孔型脉管制冷机1 1 1 】、双向进气型脉管制冷机旧， 到可进行声功回收的热声制冷机【l3 1 ，再到最近的在行波热声发动机的环路里直 接耦合一个热声制冷机i 】4 】。从这些年国内外对热声热机的研究过程可以看出， 热声制冷系统的研究主要分为两个方向，一是朝着深低温方向发展，希望在1 2 0 k 以下的温区获得更低的制冷温度，具有代表性的是用热声发动机驱动小孔型或双 向进气型脉管制冷机；另一个方向是用热声发动机驱动小孔型脉管制冷机或行波 型热声制冷机，力图在1 2 0k 以上温区获取大的制冷量，这一方向主要的目标领 域是天然气液化和近室温制冷1 9 l 。 在深低温领域，目前，热声驱动脉管制冷机这种无机械运动部件的新型制冷 法已经成为制冷与低温学术领域的研究热点，并且也受到了工业界的关注。当然， 这种新型热机的系统性能还有待提高，特别是热声发动机和脉管制冷机之间的匹 配问题，包括两者的联接匹配、频率匹配和工质匹配三个方面【1 5 1 ，是一个至关 重要的问题。其中热声发动机及其驱动的脉管制冷机之间的联接匹配问题，对输 入制冷系统的工质压比及制冷性能有很大的影响。在通常的热声驱动脉管制冷机 中，热声发动机输出的最大压比就是输入脉管制冷机的压比。最近，中科院罗二 仓等人提出了一种能够放大脉管制冷机的输入压比的“声学压力放大器”【m m ， 它是一段一端开口与发动机的压力腹点区连接，另一端封闭的空管子，长度约为 2 浙江大学硕士学位论文 热声系统的四分之一波长。根据声学原理，在四分之一声学波长系统的封闭端会 产生一个远高于开口端的压比。本文采用了这种声学声压放大器作为热声发动机 和脉管制冷机之间的连接部件，以使制冷机入口处的压比增大l l 刖。 当脉管制冷机作为一个负载与热声发动机相连时，其整机性能不仅取决于热 声发动机，同时也受制于负载的阻抗特性。无惯性管的脉管制冷机部件的阻抗主 要体现为声阻和声容。在仅考虑阻抗的简化情况下，可以把它看作一个阻容负载。 研究热声发动机和阻容负载的耦合关系，可以为设计和优化热声发动机驱动的脉 管制冷系统提供理论指导 1 9 - 2 0 1 。针对这样的情况，本文开展了带声压放大器的 驻波型热声发动机驱动r c 负载及脉管制冷机系统的性能强化研究工作。 1 2 发展历史及研究现状 1 2 1 热声效应的发现 热声效应在2 0 0 年前就被发现了。1 7 7 7 年b y r o nh i g g i n s 在实验中发现，将氢 火焰放在两端开口的垂直管的适当位置，管中会发出声音【2 l 】。吹玻璃工人则发 现：当将一个玻璃球连接到一个中空的玻璃管时，有时在管子的尖端处会发出声 音。1 8 5 0 年，s o n d h a u s 定性地研究了这一现象，给出了设备的尺寸与声调的关 系，故此将上述热声装置称为s o n d h a u s 管。 1 8 7 8 年，l o r dr a y l e i g h 对热声振荡现象进行了定性的解释 2 3 1 ，这是人们第 一次从理论上对热声现象进行探讨。他指出：只要参与热过程的工质运动与热交 换之间具有合适的相角，就可以维持热声振荡。对做声振动的介质，在其最稠密 处向其提供热量，而在其最稀疏处吸取能量，声振动就会得到加强( 热能转变为 声能) 。反之，若在其最稠密时从其中吸取热量，而在其最稀疏时向其提供能量， 声振动就会衰减( 声能转变为热流) ，为了维持声振动，外界必须对流体作功。这 就是r a y l e i g h 准则【l5 1 。到目前为止，此准则一直被认为是理解热声振荡如何在 管中得以维持的一个合理解释。 后来，p l r i j k e 发明了础i k e 管【2 4 】。与耻j k e 管对应的是b o s s c h a 管。b o s s c h a 管是在1 8 7 7 年由b o s s c h a 发现的，将冷却的丝网放到上述空管的上半部分时， 会发生声振荡；相反，将冷的丝网置于下半部分，振荡却发生衰减。砌j k e 管与 浙江大学硕士学位论文 b o s s e h a 管都是直立的开管，里面有金属丝网，不同的是r j j k e 管的丝网在下半 截，距下开口1 4 至1 3 处，需要对丝网加热，而b o s s c h a 管的丝网则在上半截 矩上开口大约1 4 至1 3 处，不需要对丝网加热，而是从下开口吹入热空气。两 者的发声原理相同，被r a y l e i g h 归之为。波腹波节综合效应”，管内象烟筒通风 的气流是发声的关键。目前，r j j k e 管被广泛地用于热声教学演示实验【2 5 1 。实际 上s o n d h a u s s 管和硒i k e 管正是驻波型和行波型热声热机的雏形1 8 1 。 1 9 4 9 年t a c o n i s 定量解释了氦振荡现象，其实质与r a y l e i g h 同出一辙。1 9 6 2 年， r l c a r t e r 提出在s o n d h a u s 管内放入板叠结构，以增大功率和效率，这是现代实 验热声学的重要进展 2 6 1 。1 9 6 9 年r o t t 发表了一套完整的数值解，奠定了热声学的 理论基础，r o t t 与他的同事发表了一系列论文，他的理论至今仍被用于所有的热 声计算。1 9 8 0 年以来，热声发动机的研究受到了重视，并在空间技术中获得应 用。 1 2 2 热声发动机实验研究进展 1 驻波型热声发动机 1 9 6 2 年，美国n e wm e x i c o 大学的c a r t e r 和f e l d m a n 对s o n d h a u s s 管进行了 有效改进。他们在s o n d h a u s s 管中采用适当的板叠来提高它的效率，大大加强了 管内所发生的热声效应，研制出了世界上第一台有显著声功输出的驻波热声发动 机，以6 0 0 w 的热传输功率获得了2 7 w 的声功率【2 6 1 。 美国l o sa l a m o s 国家实验室从2 0 世纪8 0 年代初开始研究热声机械，由 w h e a t l e y 领导的科研小组率先开展了热声发动机和热声制冷机的研究工作。图 1 1 为s w i f t 等人建立的一台驻波型热声发动机示意图，其谐振管内径为1 2 7 m i l l ， 长度为4 3 2 0n l l t i ，以1 3 8 m p a 的氦气作为工质，在7k w 加热功率条件下，产生 了6 3 0w 的声功，热效率为9 i 加。另外他们还提出在热声发动机中采用液体工 质，比如液态钠、液态钾或丙烯等具有密度大、普朗特数小的特点，以它们为工 质的热声发动机具有高效率和大功率等特点1 卸。 日本大学的m a t s u b a r a 、朱绍伟和周淑亮等人研制了一台双边驱动的驻波型 热声发动机，在输入功率8 3 3 w 时能输出2 6 w 的声功2 8 - 2 9 1 。他们采用铜丝网代替 传统的卷板型热声板叠，虽然流动阻力有所增加，但由于丝网片间存在接触热阻， 4 浙江大学硕士学位论文 可有效减小板叠轴向导热所造成的热损失，并且使得加工制作也变得更为方便。 针对丝网目数的优化实验为驻波型热声发动机的丝网板叠目数选择提供了指导。 图1 1 驻波型热声发动机示意图吲 1 9 9 8 年，美国宾西法尼亚州立大学的c h e n 和g a r r e t t 建成了世界上第l 台太阳 能驱动驻波型热声发动机的模型机，他们还形象的称之为“声激光器”1 3 0 - 3 ”，见 图1 2 。虽然该热声发动机是一台小型的演示性实验装置，但它验证了热声发动 机以太阳能作为驱动源的可行性。 i l t m 太阳能驱动热声发动机鲫i 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 等人从2 0 世纪9 0 年代初开始 对热声发动机进行研究。他们和华中科技大学的郭方中等合作，成功研制了一台 以氮气为工质的热声发动机，其加热温度为5 0 0 时，压力振幅可达平均压力的 1 0 。此外，他们还建立了利用双传声器法测声功系统【3 2 j 。 浙江大学制冷与低温研究所的陈国邦等于1 9 9 6 年在国内首先研制成一台对 浙江大学硕士学位论文 称型半波长热声发动机，着重研究了工质种类、谐振管长度、充气压力和加热温 度等对发动机性能的影响【3 3 。3 _ 7 】。 2 行波型热声发动机 驻波声场中速度波和压力波相位差为9 0 0 ，因此从理论上分析驻波场中理论 上没有功的输出【1 5 】；此外，在驻波型热声发动机中，板叠中的气体和固体之间 的换热较差，气体进行的是介于等温和绝热的不可逆热力学循环，所以驻波热声 发动机效率较低。而行波型热声发动机利用的是行波声场，声场中速度波动和压 力波动相位相同，并且发动机回热器中气体通道的水力半径远小于气体热渗透深 度，所以理论上气体在回热器中进行的是等温热传递，因此行波热声发动机在理 论上可以达到比驻波热声发动机更高的热力学效率，基于行波的热声发动机已开 始引起学者们的注意【3 8 l 。 行波热声发动机的概念是在2 0 世纪7 0 年代末f l q c e p e r l e y 首先提出的。他发现 行波在通过回热器时经历了同理想斯特林循环类似的热力学过程，即压力与速度 同相位，并提议去除除工质外的所有运动部件，而是利用声波来控制工质运动和 压力波动f 3 9 1 。然而，由于损失太大，c e p e r l e y 的实验发动机并没有起到放大声功 的效果【柏1 ，但他在行波热声发动机方面却做出了开创性贡献。 1 9 9 8 年，y a z a k i 等人做了环形管路行波热声发动机实验，在一定条件下得到 放大的声功，虽然它的效率较低，但却证明了在行波环路中可以实现自维持振荡 4 1 】。c e p e r l e y 和y a z a k i 都认为由于回热器中固体介质同气体介质之间相互热传递 时总会不可避免地存在热滞后，因此理想情况下的行波斯特林热声发动机无法实 现。他们提出，在行波声场中适当引入驻波成份会提高行波热声发动机的效率， 但他们没能通过实验证实【3 8 】。 美国l o sa l a m o s l 翌家实验室对上述理论进行了验证1 3 8 】。他们制作了一台行波 型热声发动机，如图1 3 所示。通过在行波环路引出一驻波直路，成功地在声场 中引入了驻波成分。该行波型热声发动机在实验中取得4 2 的相对卡诺效率和3 0 的热力学效率，这一结果可以同内燃机( 2 5 4 0 ) 相媲美，目前他们正努力 把这一成果应用于天然气液化1 4 2 , 4 3 】。 在国内，很多机构也开展了行波型热声发动机方面的研究。浙江大学的陈国 6 浙江大学硕士学位论文 邦和金滔与法国科研中心l i m s i 的f r a n c o i s 合作开展了相关的研究，在基于 b a c k h a u s s w i f t 系统的设计基础上制造了一台行波型热声发动机，初步通过实验 证实了它具有比驻波型热声发动机更低的起振温度和更高的效率 4 4 1 。浙江大学 邱利民等人研制成一台热声斯特林发动机【3 8 4 5 1 ，以氦气作为工质，在充气压力 2 0 m p a ，加热功率4 k w 条件下，最大压力振幅和压比分别达到o 1 8 m p a 和1 1 9 。 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 4 f l ， 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，取消了用于引入行波 的环形管，结构更加紧凑，同时也避免了环路结构造成的局部管道热膨胀空间问 题。以h e 作为工质，以1 5 2 m p a 的平均压力和6 7 0 的加热温度，获得了1 3 0 的压比1 4 ”。 - ) s t i r l i n g 型热声发动机”环路结构示意图 图1 3s t i r r i n g 型热声发动机及其环路结构棚 3 热声发动机驱动脉管制冷机 热声驱动脉管制冷机系统并不属于完全谐振机构，其中发动机部分是在谐振 状态下运行，产生的声波输入到脉管制冷机，脉管制冷机则运行于非谐振状态。 脉管制冷机一般由回热器、脉管、冷热端换热器、导流器以及调相结构等组成。 其工作原理是利用高低压气体对脉管空腔的充放气过程而获得制冷效果的。回热 器的作用是累积上一次循环所得的冷量，并传递给下一次循环流入的气体，使气 体温度逐渐降低。脉管制冷机在低温端没有运动部件，其主要优点包括可靠运行、 振动小和寿命长等。近1 0 几年来，低温领域的研究者开始将热声发动机和脉管 制冷机联用。与一般的脉管制冷机系统不同，热声驱动脉管制冷机的最大特点是 浙江大学硕士学位论文 以热声发动机代替机械式发动机作为驱动源进行制冷，其主要优点包括结构简 单、性能可靠，可以实现长寿命运行；使用热能驱动，有利于在电能短缺或热能 丰富的场合应用等。下面介绍一下热声发动机驱动脉管制冷机的发展史【4 9 】。 1 9 9 0 年，r a d e b a u g h 和s w i f t 等人采用热声发动机代替机械式压缩机来驱动 脉管制冷机，建立了世界上第一台完全没有运动部件的低温制冷机。该热声发动 机长度达1 0 m ，以氦气为工质时，压比大约为1 1 0 ，振动频率为2 7 h z ，脉管制 冷机最低制冷温度为9 0 k 左右【5 0 5 ”。此外，他们还与t e k t r o n i x 公司合作建成了 一台小型热声驱动小孔型脉管制冷机，达到了1 2 6 的最低制冷温度，工作频率 为3 5 0 i - i z i “。 在实用研究方面，1 9 9 4 年，美国c r y e n c o 公司( 现属p r a x a i r 公司) 与l o sa l a m o s 国家实验室以及美国国家标准与技术研究院合作进行了以燃烧天 然气作为驱动源的热声驱动脉管制冷机液化天然气研发项卧5 2 1 ，在1 9 9 7 年建成 了日产1 9 0 0 升的模型机，如图1 4 所示，燃烧6 0 的天然气能液化其余4 0 天 然气。热声天然气液化系统对缺少电能或者水源的天然气开采区具有非常高的应 用价值。 在国内，浙江大学陈国邦等在1 9 9 8 年起就开展了热声驱动脉管的研究，采 用一个对称型双边驱动驻波热声发动机来驱动一台单级双向进气型脉管制冷机。 对发动机与脉管的匹配问题进行了深入的研究，提出了一套热声驱动脉管的实验 方案【5 3 1 ，并对系统中的加热器、水冷却器、高温气库、板叠、回热器等各种组 成配件进行了进匹配优化的模拟以及计算。2 0 0 6 年，通过在热声发动机和脉管 制冷机之间引入声压放大器，获得了最低为7 9 1 k 的制冷温度1 8 j 。 中国科学院理化研究所的罗二仓等人也进行了热声发动机驱动脉管制冷机 的相关研究。2 0 0 5 年，他们在原系统中加入热声声压放大器进行实验【16 1 ，在 1 6 7 k w 的加热功率下，脉管制冷机入口压比达到了1 3 2 ，在脉管制冷机的冷头 获得了6 5 7 k 的温度1 1 7 一棚。2 0 0 6 年，胡建英，戴巍和罗二仓等人通过声压放大 器对行波型热声发动机和脉管制冷机进行耦合，获得了4 1 k 的最低制冷温度， 这是目前热声驱动脉管制冷机所达到的最低制冷温度1 5 ”。 浙江大学硕士学位论文 1 3 本文工作简介 我们之前的研究工作已经利用带声压放大器的驻波型热声发动机驱动脉管 制冷机达到了约7 9 1 k 的最低制冷温度，本文的工作在此基础上展开。目前存在 的主要问题包括：( 1 ) 原来的驻波型热声发动机受到结构的限制，无法承受较高 的加热功率和板叠热端温度，在带声压放大器的情况下系统的稳定性差，容易出 现频率跳变现象，需要对其核心结构进行改进；( 2 ) 对声压放大器的压比放大能 力认识不足，无法得到准确的声压放大器尺寸，使得其压力放大能力被最大程度 的应用；( 3 ) 对热声系统中出现的非线性效应，如高次谐波出现和频率跳变现象 等没有仔细总结和分析，无法通过优化热声系统的结构来消除这些现象。针对这 些问题，本文主要开展了以下几方面的工作： 1 对热声发动机中的水冷却器、加热器和高温气库等进行改进实验，利用自编 软件模拟热声系统改进前后的性能，并和实验结果进行对比，从而观察各个 部件的尺寸变化对系统性能的影响。 2 对带声压放大器的热声发动机驱动脉管制冷机的性能进行探讨。 3 对热声声压放大器的原理进行理论分析，利用自编的基于线性热声理论的模 型进行模拟计算，并开展带声压放大器的热声发动机驱动r c 负载的实验研 究，从而进一步了解声压放大器对热声系统性能的影响。 4 针对实验中出现的压力波幅值最初非线性增长、高次谐波出现到最终频率跳 变现象的发展演变过程进行归纳和总结，并利用非线性理论模型对实验中出 现的频率跳变现象进行了定性的分析和解释。 9 浙江大学硕士学位论文 第二章热声学理论 本章主要介绍热声学理论的研究进展，并且介绍了各主要热声理论研究单位 的研究现状和动态，指出了存在的一些问题和现阶段研究的热点 虽然人们在2 0 0 多年前就发现了热声现象，但是对热声学理论的研究却主要 集中在最近的二十几年间。由于热声热机有望成为无运动部件，长寿命运转并且 节能环保的新型热机，因此深入了解回热式热机( 包括发动机和制冷机) 的工作机 已经迫在眉睫。近几十年来，线性热声理论取得了飞速的发展完善【5 5 钢，与经典 的热力分析方法不同，线性热声理论虽然做了线性化的处理，但它仍然考虑了由 于有限换热和粘性效应两种不可逆损失，因此线性热声理论获得了对回热式热机 工作机理的新认识，较之经典热力分析理论更为合理【5 8 】。但是随着近年来对回 热式热机的深入研究，特别是对脉冲管制冷机和自激振荡的热声发动机的研究， 线性热声理论的固有局限性也日益显露出来，因此有必要发展非线性热声理论来 解释这些现象，进一步完善热声理论。 2 1 热声理论研究进展 一定常流理论钢 该理论的前提是：准静态，忽略压力波动，利用静平衡的思想来解释回热器 的特性。c o p p a g e 、k a y s 、w a l k e r 和v 船i s h t e 等人都深入探讨了该理论。他们认为： 流体工质在回热器中的流动特性对流体工质与固体工质间的热量交换是互不相 关的，当热流体流经回热器时，流体对其填料放热，填料吸收热量贮存起来；当 冷流体从相反方向流经回热器时，贮存在其填料中的热量释放出来被流体吸收。 这样回热器和流体中的能量在两种介质问实现能量的交换，并以换热效率作为评 价回热器的性能指标。显然，这种观点的实质就是把回热器等同于换热器，回热 器填料的作用只是为了增大换热面积和增强换热效果，这和一般的换热器没有任 何实质的区别i 5 5 1 。 1 0 浙江大学硕士学位论文 二交变流动理论l f , b l 回热器中的流体运动同时存在压力波和速度波。文献【5 7 5 卅中研究了网格填料 中的交变流动规律，并建立这种交变流动的数学模型。他们在实验中发现回热器 具有如下波动特性：( 1 ) 同一截面上的压力波和质量流是非正弦的周期性变化， 之间有明显的相位差； ( 2 ) 不同截面上的压力波、质量流的幅值和相位各不相 同，相位差随截面轴向位置的变化而变化。从而进一步提出了填料的分布毛细管 模型，给出了压力、流速的分布解析式，这一模型较接近回热器的实际流动特性 1 5 5 1 。但是，这个理论是建立在实验基础上的，需要先确定各个参数的数值，才 能具体应用其模型。 三相移理论网 相移理论是指振荡流体在回热器中调制出的压力波和温度波之间存在一定 的相位差，使得压力波和热波满足热声效应的判据条件【5 6 1 ，从而实现热声效应。 该理论指出：回热器在热声过程中主要起到调相的作用，从而反驳了定常流理论 认为回热器等同于换热器的观点。 相移理论认为实际的驻波热机中不可能是完全的驻波，还存在反射波和少量 的行波；系统内的振荡流体存在黏性，黏性渗透区内产生传热热阻，使得振荡流 体和固体边壁之间传热延滞，结果在压力波和温度波间有一个相位滞后，从而达 到产生热声效应的条件。 相移理论准确的解释了驻波热机中的回热器热声效应机理，说明了回热器是 一个换能器。但是，相移理论依然无法准确的解释行波热机的热声效应机理。 四短板边界层近似理论i s s l 1 9 8 8 年，s w i f t 提出了基于r o n 的线性理论基础上的短板边界层近似理论1 5 ”， 该理论假设：板叠长度比系统长度小很多，忽略其对系统声场的影响；板叠热容 很大，不考虑气流振荡频率对板叠温度的影响；忽略板叠纵向方向的导热。 在该理论中提出了临界温度梯度来作为热致声、声致冷效应的量化指标，并 给出了热功转换关系式，从而为热声系统的理论计算提供了基础。但是该模型存 在些问题： ( 1 ) 该模型忽略了回热器、换热器等热声部件对热机系统中声场 浙江大学硕士学位论文 的影响，给理论计算带来误差，使计算结果不准确；( 2 ) 该模型不能把回热器、 换热器等热声部件与热机系统联立起来，不能直接用于热机系统的理论计算；( 3 ) 模型中的振荡压力、速度被简化为简谐波来处理，忽略了热声部件对系统声场的 影响。 五经典线性热声理论 线性热声理论的提出标志着热声理论的研究取得了突破性进展。1 9 6 9 1 9 8 0 年间，r o t t 首先提出小振幅条件下的线性热声模型，对线性热声效应进行了定量 分析，并给出了热声效应的完全数值解，在理论上描述了热声效应中热功转换的 关系【5 5 6 0 - 6 2 1 。该模型推导以线性n s 方程、连续性方程、能量方程为基础，结 合板叠边壁上的边界条件，建立了理想气体的驻波声场，最终发展成为定量的线 性热声理论。 1 ) 2 ) 3 、 4 1 经典线性热声理论包括如下假设【6 3 l ： 流体可压缩。 稳定的声场。 声场处于小振幅下，u f l 。u 5 0 0 ，流体运动视为层流。 固体介质是刚性的、固定的。( 不适用于使用液体工质或压力非常高的气体工 质的热机) 流道的横向尺寸及流体的热穿透深度远小于声波波长，因此在管路横截面上 压力是均匀的。 管道壁面的热容量远大于流体的热容量，其温度不受流体温度波动的影响。 根据以上假设，r o t t 得到了著名的波动方程： 叶护圳”y 扎p l i ( 警针等等毒鲁鲁= 。晓t ， 具体推导过程参见文献【6 3 】。经典线性热声理论采用了分离变量的方法，将 空间自变量j 和时间自变量，分开，将动量守恒方程、质量守恒方程和能量守恒 方程线性化后，原时域的偏微分方程可转换为频域的常微分方程，使得推导过程 和结果表达式的形式相对比较简单，便于学习和运用。此外，热声学形式的动量 守恒方程、质量守恒方程和能量守恒方程是针对微元管段的通用方程，虽为一维 空间形式，但实际上式中的黏滞函数工和热函数磊均为流道空间的函数，并且 浙江大学硕士学位论文 是流道横截面上的积分值，它们能够表示出流道空间结构对工质流动和传热的影 响，因此一维的形式就能够反映不同流道空间结构的情况，该理论可以用于预测 比较不同热声板叠流道形式的热声转换性能。同时，结合边界条件组合各热声部 件，就可以实现对整个热声机械的模拟，从而可以进行热声机械的设计和理论优 化呻】。 六热声网络理论 1