（制冷及低温工程专业论文）热驱动热声热机特性实验研究.pdf

、：t t ：一 ：。，l m a s t e rd i s s e r t a t i o n e x p e r i m e n ts t u d yo nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e r m a l l yd r i v e n t h e r m o a c o u s t i ce n g i n e m a j o r ： s u p e r v i s o r ：墨墨q i 垒! 星卫! 竺! 垒苎墨q 坠i 丛! i ：垒i s u b m i t t e dt o t h e f 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 i l 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 0 s c h o o lo fe n e r g ys c i e n c ea n d e 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 r c h i n a 加 舢7m 8m 1 舢7m 1舢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。 作者签名：幺翻鳓 日期：么! ! 年月上日 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：迎年l 月兰e l 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 热声热机是一种完全新型热机，工作于热声效应机理，具有无污 染、无运动部件、可靠性高等优点。本文在前人的工作基础上，从研 制可利用余热驱动的热声热机系统出发，进行了热声热机理论基础介 绍、实验样机研制以及实验研究工作： 1 ) 以线性热声理论为基础，对影响热声热机工作的参数进行分析； 并对影响回热器内声波传播的结构声进行介绍，提出影响热声效应的 结构声产生的两种主要机理：振动激励和声激励； 2 ) 建立板叠式回热器声波传播模型，利用声学中矩形声波导管理论 对热声回热器结构对声波传播的影响进行计算，得到5 0 k h z 热声热 机的最大板叠横向长度；根据高次波衰减原理，对于频率不同的声源， 得到高频热声热机板叠回热器的最佳纵向长度；利用流体网络理论建 立回热器网络模型，对板叠式回热器板间距以及回热器位置对声波流 阻进行计算； 3 ) 在前人工作的基础上，对实验样机重新设计和改进，建立一台驻 波型热声热机，对加热功率为4 0 0 w 时，对充气压力为0 4m p a 、0 5 l a a 、0 61 v i p a 、0 7s p a 以及0 8 m p a 的工况下进行实验研究，得到 热声系统频率变化以及振幅变化情况；在加热功率为1 0 0 0 w ，充气 压力为0 7 m p a 的工况下得到频率为1 2 6 h z ，振幅为7 2 0 0 0 p a 的声波； 4 ) 为满足余热驱动热声热机稳定工况，提出蜂窝陶瓷作为热端换热 器材料，并通过实验验证了蜂窝陶瓷具有良好的蓄热性，可以为余热 驱动热声发动机提供稳定热源。 关键词：热声热机，声波导管，驻波，热端换热器 a bs t r a c t r l m lh e r m o a c o u s t i ce n g i n ei san e w t y p eo fe n g i n ew h i c hi sb a s e do n t h et h e r m o a c o u s t i ce f f e c t ，w i t hn op o l l u t i o n ，n om o v i n g p a r t s ，a n dh i g h r e l i a b i l i t y b a s e do np r e v i o u sw o r ka n dt h er e s e a r c ho ft h e r m o a c o u s t i c e n g i n e ，t h es t u d yo nf u n d a m e n t a lt h e o r y , p r o t o t y p em a n u f a c t u r ea n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hw e r ec a r r i e do u t ： 1 ) a c c o r d i n g t ot h el i n e a rt h e r m o a c o u s t i c t h e o r y , t h i sa r t i c l e a n a l y z e dt h ei m p a c to ft h er m o a c o u s t i ce n g i n e ，a n di n t r o d u c e ds t r u c t u r e w a v e ，a l s op r o p o s e ds t r u c t u r eo fs o u n d p r o d u c e db yt w om a i n m e c h a n i s m s ，w i t hv i b r a t i o ne x c i t i n ga n da c o u s t i ce x c i t a t i o n ； 2 ) t h es t r u c t u r eo ff i a t p l a t er e g e n e r a t o ri nt h e r m o a c o u s t i ce n g i n e w a sc a l c u l a t e dw h i l ec o n s i d e r e d g a sc h a n n e li nr e g e n e r a t o ra sa r e c t a n g u l a rd u c t i n g b a s e do nt h ed e r i v a t i o no fw a v e g u i d et h e o r y ，t h e s t r u c t u r eo fr e g e n e r a t o ro ft h em i c r o m i n i a t u r i z et h e r m o a c o u s t i ce n g i n e w a s i n v e s t i g a t e d f o rt h e5 0k h zt h e r m o a c o u s t i ce n g i n e t h em a x i m u m t r a n s v e r s es i z eo fr e g e n e r a t o ri nt h e r m o a c o u s t i ce n g i n ei s o b t a i n e d ；f o r t h ea c o u s t i cs o u r c ew i t ht h r e ek i n d so ff r e q u e n c y ，t h ep o r t r a i tl e n g t ho f t h ep l a t e si sc a l c u l a t e d u t i l i z i n ga r e n u a t i o np r i n c i p l eo fh i g h e r - o r d e r m o d ew a v e ；t h e r e g e n e r a t o rn e t w o r km o d e lu t i l i z i n gf l u i dn e t w o r kt h e o r y , t h ei m p a c to f s t a c k t y p eh e a te x c h a n g e rw a ss e tu pp l a t es p a c i n ga n dh e a t r e c o v e r yl o c a t i o no ft h ea c o u s t i cd e v i c et oc a l c u l a t ef l o wr e s is t a n c e ； 3 ) b a s e do nt h ep r e v i o u sw o r k ，t h r o u g hr e d e s i g n e da n di m p r o v e d t h ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e ，as t a n d i n gw a v et h e r m o a c o u s t i ce n g i n ew a s e s t a b l i s h e d w h e nt h ep r e s s u r ew e r e0 4 l p a , 0 5 m a ，o 6m p a ，o 7 m p aa n do 8 m p a ，t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo f t h e r m o a c o u s t i ce n g i n ei nt h e h e a t i n gp o w e ro f4 0 0 ww a sc a r r i e do u t ，a n dt h ec h a n g e so ft h ef r e q u e n c y a n da m p l i t u d ew e r eo b t a i n e d 矾e nt h eh e a t i n g p o w e rw a s10 0 0 w ：s o u n d w a v eo faf r e q u e n c yo f12 6 h za n da m p l i t u d e7 2 0 0 0 p aw a sa c h i e v e d u n d e rt h ep r e s s u r eo f 0 7 m p a ； 4 ) 1 1 1 ei n a d e q u a c yo ft r a d i t i o n a lh e a t e x c h a n g e ra p p l i e d i n t h e r m o a c o u s t i ce n e r g yf o ru t i l i z i n gw a s t eh e a tw a sa n a l y z e d ，a n dh e a t e x c h a n g e rm a d eo fh o n e y c o m bc e r a m i cm a t e r i a lw a sr a i s e d e x p e d m e n t p r o v e dt h eg r e a tt h e r m a ls t o r a g ea b i l i t yo f h o n e y c o m bc e r a m i cm a t e r i a l k e y 聊r d ：t h e r m o a c o u s t i ce n g i n e ，r e c t a n g u l a rd u c t i n g ，s t a n dw a v e ， h 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t h e a te x c h a n g e r i i i 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 第一章绪论1 1 1 课题背景和研究意义1 1 2 热声学发展历史和研究进展2 1 2 1热声理论起源2 1 2 2 热声学的理论探索3 1 3 热声发动机实验研究进展一5 1 3 1 驻波性热声发动机的研究进展5 1 3 2 行波性热声发动机的研究进展7 1 3 3 混合型热声发动机的研究进展7 第二章热声发动机的线性热声理论及回热器结构声分析1 0 2 1 前言1o 2 2 线性热声理论基础1 0 2 2 1 管内非等熵振荡热声效应基本方程1 0 2 2 2 总台皂彩葩1 3 2 2 3 时均声功流1 4 2 3 回热器内的结构声。1 5 2 3 1结构声的概念16 2 3 2 结构声的产生机理16 2 3 3 结构声的振动激励17 2 3 4 结构声的声激励18 2 4 本章小结2 0 第三章热声热机板叠式回热器结构设计计算2 1 3 1 声学理论基础2l 3 1 1 声波方程2 1 3 1 2 矩形声波导管模型2 2 3 2 板叠回热器结构设计计算2 3 3 2 1 回热器横向长度计算2 3 3 2 2 回热器纵向长度计算2 5 3 3 回热器流体网络模型2 6 3 3 1 流体网络模型建立2 6 3 3 2 回热器位置对阻抗影响2 7 3 3 3 回热器流阻计算2 8 3 4 本章小结2 9 第四章热驱动热声热机的实验研究3 1 4 1 实验装置与测量系统3 1 4 1 1热驱动热声发动机系统3 1 4 1 2 测量系统和信号采集系统3 2 4 1 3 实验信号测量方法3 3 4 2 实验步骤3 4 中南大学硕士学位论文 目录 4 3 热声发动机实验台改进3 5 4 4 加热功率为4 0 0 w 系统分析3 6 4 4 1 起振过程3 6 4 4 2 消振过程3 6 4 4 3 系统起振过程频率分析3 7 4 4 4 系统起振过程声波信号分析3 8 4 4 5 压力因素对系统影响3 8 4 5加热功率为10 0 0 w 系统分析3 9 4 5 1 加热功率为10 0 0 w 系统起振过程3 9 4 5 2 加热功率为10 0 0 w 系统消振过程。4 1 4 5 2 加热功率为10 0 0 w 系统稳定工作过程4 2 4 6 不同回热器填料热声系统分析4 2 4 6 1 卷筒回热器热声系统分析4 2 4 6 2 蜂窝陶瓷回热器热声系统分析4 3 4 7 本章小结4 4 第五章热声发动机热端换热器实验研究4 6 5 1工业余热分布4 6 5 1 1 工业余热利用存在的问题4 6 5 1 2 热声热机余热利用分析4 6 5 2 热声热机结构特点4 7 5 2 1 驻波热声热机结构4 7 5 2 2 目前热声热机热端换热器存在的问题4 8 5 2 3 蓄热型热端换热器4 8 5 3 蓄热型换热器实验研究4 9 5 3 1 实验装置及实验步骤4 9 5 3 2 蜂窝陶瓷蓄热性能实验研究5 0 5 4 本章小结5 1 第六章全文总结与展望5 2 6 1 全文总结与结论。5 2 6 2本文的主要创新点5 2 6 3下一步的工作展望5 3 参考文献5 4 附录1热声发动机实验台照片5 9 附录2 改进后热声发动机热声转换装置6 0 致谢6 1 攻读硕士学位期间主要研究成果6 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题背景和研究意义 第一章绪论 传统的热机是按一定的热力学循环要求，用热机的机械结构和运动规律完成 工作介质的状态变化，实现热能与机械能之间的转换。热声热机则是运用热声效 应在一定的几何和热力环境条件下，利用系统与工质自身性质，让系统各个部分 之间进行一种热力学自组织过程，实现热能与声能之间的自主转化。简单地说， 热声效应就是热能与声能之间相互转换的现象。按能量转换方向的不同，热声效 应可分为两类：一是用热能来产生声功，即由热能驱动的声振荡；二是用声能来 产生热流，即由声能驱动的热量传输。基于这样两种热声效应，热声热机也像传 统热机一样有热声发动机和热声制冷机之分【。 热声热机具有许多传统热机无法比拟的优势：热声热机不需要外部机械手段 就可以使振荡流体的压力和速度建立合适的相位关系，系统中除振荡气体外没有 其他运动部件，从根本上消除了常规热机存在的磨损、振动和密封等问题，从而 保证了系统工作的可靠性和长寿命；热驱动热声发动机采用热能驱动，可以利用 太阳能、废热、燃气等低品位能源，所需热源温度低( 本文建立的热声实验样机 冷热温差1 0 0 左右即可起振) ，不仅仅提高了系统的热力学效率，对于大量余 热未利用的工业场合( 部分工业设备因结构原因余热较难利用) 及太阳能丰富的 地区更具实际意义；此外，热声制冷剂一般采用惰性气体或者氮气作为工质，不 会破坏臭氧层和引起温室效应，这与制冷技术中禁用c f c s 和h f c s 的要求相一 致合。 目前热声研究已经成为能源动力、低温技术、环保工程等领域的研究重点和 研究前沿。在天然气液化、太空探测、红外器件冷却、电子器件冷却、室温制冷 等方面都显示出令人兴奋的应用前景【2 】。虽然热声领域的研究取得了显著进展， 但热声制冷技术以及热声发动机的工程化和进一步发展，仍面临严峻的技术问题 和科学问剧引。热声热机热效率以及输出功率密度较低，热声热机热效率只达到 2 0 0 0 3 0 的水平，输出功率密度一般在8 w c m 2 。因此，如何改进热声热机的工 作性能，特别是提高功率密度和效率；如何实现热声热机的小型化和轻型化；如 何控制系统的起振和运行条件等，已经成为热声研究领域的紧迫任务和热点问 题。 正是在这样的背景下，为进一步解决热声热机存在的各种不足，本文开展热 声回热器的结构与热声热机工作条件关系，以及热声回热器结构声对热声热机的 影响的研究工作。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 热声学发展历史和研究进展 1 2 1 热声理论起源 随着工业革命的兴起，一些简单而显著的 热力激振现象逐渐被物理学家发现和认识。在 1 7 7 7 年，h i g g i n s 将氢火焰置于两端开口的垂 直管的适当位置，管中就会激起声波振动，从 而发出声音。正是这种会“唱歌的火焰 引起 了对热声现象的研究。这也是人们最早在实验 室发现的热声效应。1 8 5 9 年础i k e 4 】建立的一 个如图1 1 所示的简单系统，将一小段加热丝 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，并对这种后来被称之 为“鼬i k e 振荡”的现象进行了定性分析。1 8 7 7 年b o s s c h a 发现了一种所谓“逆 r i j k e 振荡 ( r e v e r s e d ”r i j k eo s c i l l m i o n ) ，即把冷丝网 放到上述空管的上半部分时，同样会发生声振 荡；相反将冷丝网放置于下半部分，振荡却发 生衰减。另一类声源被吹玻璃工人发现，当一 个烧热的玻璃球链接到一根中空玻璃管上时， 管子的尖端有时会发出声音。s o n d h a u s s t 5 】对 这一现象进行深入研究，1 8 5 0 年制作了如图 l 一2 所示的玻璃器皿( 后被人们命名为 s o n d h a u s s 管) ，其一端是一个较大的玻璃球， 通过一个细长玻璃管开口连接外界环境。实验 的方法是用稳定的火焰加热玻璃球，在一定的 加热强度下可以听到这个系统发出清晰的声 音，并且声音的频率随体积的增加和管长的增 长而降低，声音的强度则依据加热火焰强度的 升高而加强。定性的分析显示：热量在封闭的 氮气 管子 加热丝网 气流 l ii ilil ，ll 声能 + 热能 热能 图1 - 1r i j k e 热声振荡系统 图1 - 2 s o n d h a u s s 热声振荡系统 玻璃球端加入系统，在这个简单系统中将部分热量转变声能，引起管内气体的自 激振荡，未转换部分的热量由开口处派出到外界环境之中。实际上，s o n d h a u s s 管和剐k e 管分别是驻波型和行波型热声机械的雏形。 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 热声学的理论探索 虽然热声现象发现已有两百多年的历史，但热声学在最近几十年才开始快速 发展起来：早期的热声研究主要是一些物理学家偶然发现或直接推论，直到1 8 6 8 年k i r c h h o f f 研究了热传导对管内声波传播的影响标志着理论热声学的起步。 1 8 7 8 年，r a y l e i g h 在他的声学理论嘲一书中首先对热声振荡现象给出定性研 究，将其描述为：如果对振荡的气体周期性地供热和吸热，则所得效果取决与传 递热量时振荡的相位。当在最大压缩条件下向气体供热，或在最大膨胀条件下气 体吸热，则强化振荡；相反，如果在最大压缩时吸热，在最大膨胀时放热，则振 荡就会衰减，这就是所谓的r a y l e i g h 准则。 1 9 6 9 - 1 9 8 3 年，瑞士苏黎世联邦技术研究所的n r o t t 首先对热声效应进行 了定量的理论分析。r o t t 教授以现行的纳维一斯托克斯方程( n s 方程) 、连续性 方程、能量方程为基础，结合回热器边壁上的边界条件，首次建立了理想气体的 驻波声场，从理论上描述了热声效应中存在热和功的转换关系，发展成定量的线 性热声模型，并给出了热声效应的完全数值解f j 7 8 】。美国l o sa l a m o s 国家实验室 w h e a t l e y 热声研究小组在深入理解r o t t 理论的基础上做了实验和开发工作，使 得热声学理论和实践同步进展，热声理论取得一系列重大的发展和广泛关注 陟1 0 】。1 9 8 8 年，gw s w i f t 以“t h e r m o a c o u s t i ce n g i n e 为题发表了他们在热声方 面的理论和实验研究，提出了基于n r o t t 线性模型的短板叠边界层近似模型l l ， 标志着r o t t 以后现代热声热机研究进入一个新的阶段，对热声理论的基本原理 做了进一步阐述，详细分析热声压缩机的各种型式、主要组件以及以前在热声理 论和热声机械方向所取得的成就等。其假设条件为：板叠长度比系统小得多，忽 略对系统长度的影响；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。 美国g e o r g em a s o n 大学的c e p e r l e y 1 2 ，1 3 】首先提出回热器是一个换能器，指 出回热器在热声过程中起到调相的作用，而传统的热机是靠活塞的位移运动来实 现调相的，这和热声热机有本质的区别。但该模型过于简单，忽略了回热器内部 结构和声场特性，一直未被人们广泛接受。 线性热声理论虽然有很多优点，但也存在着明显的不足之处f 1 4 , 1 5 】。目前的线 性热声理论是基于e u l e r 法，通过分析固定位置的热力参数，进而了解整个系统 的热力工作过程。然而，e u l e r 法对热力循环过程的分析并不直观，对热声转换 过程的物理机制表达不够清晰。并且，线性热声理论只能对热声系统进行定态的 描述，无法反映其动态的特性，对于己在实验中观察到的振幅饱和、频率跳变等 显著的非线性热声现象无法进行解释。正是线性热声理论存在着这些缺陷，催生 了非线性热声理论。 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 非线性热声理论是非线性声学的一个分支，在最近1 0 年中开始起步发展。比 较具有代表性的是美国j o h nh o p k i n s 大学k a r p o v 和p r o s p e r e t t i 等人的研究工作 【l6 1 7 j 。他们从1 9 9 7 年以来发表的多篇学术论文中通过采用含非线性项的动量方 程、连续性方程以及能量方程，建立并逐步改进针对热声效应的时域非线性数学 模型。他们的非线性模型可以定量描述微小压力波如何通过初始的线性增长进入 非线性区，并最终饱和于有限的振幅，能够对热声系统的频率跳变现象进行定量 理论解释，并且具有一定的普适性，可以用于模拟热声发动机、电声驱动热声制 冷机以及热声驱动热声制冷机，通过模型的改进还改善了求解模型数值计算的稳 定性。 初步发展的非线性热声理论虽然可以描述热声效应的一些动态特性，解释一 些非线性热声现象，对于深化人们的理解，改进热声机械的设计具有积极作用， 但现有的非线性热声模型还很不完善，限于对流道中交变流的流动和传热过程物 理机制的有限理解以及求解非线性数学模型的困难，一些影响因素在现有的非线 性模型中并未考虑。同时，分析和求解非线性热声模型对数学知识和技巧要求很 高，模拟结果的准确性还有待实验验证。 日本学者富永昭以热力学方法分析热声现象【l 引，研究表明：回热器中的主要 损失并非由温差情况下的传热损失，而是频率和填料不合理，通过频率匹配可以 提高回热器效率。 国内对热声理论研究虽然只有二十多年时间，但取得了大量成果。1 9 9 5 年， 中科院低温中心的肖家华9 1 在n r o t t 的线性热声模型基础上，运用简单物理模 型从实际气体和固体方程的基本方程出发，包括流体的连续性方程、动量方程、 流体和固体的能量方程，状态方程及普遍适用的热力学关系式，经过合理的简化， 推导出适用于单纯流体二维流道、平均化的多孔介质一维流道的一般声场的热声 学理论，以局限声流体的固体外壁面与外热源的接触情况将热声效应划分为三种 情形：等温、绝热和一般热声效应。 华中科技大学的郭方中1 2 0 ，2 1 】等运用理论和系统热力学的方法对回热器研究做 了进一步的工作，首次从实验中正式了c e p e r l e y 声功率放大器提法的正确性。通 过细致的热力学分析，指出了热声转换的本质过程，并建立了工程使用的回热器 有源热声网络理论。 近年来中科院低温研究所的罗二仓对交变流动理论做了深入的研究。他在介 观尺度上采用拉格朗日法分析了回热器内部典型的热力过程和热声功能【2 2 2 3 1 ，并 指出：每一段微小的回热器都具有独立的发动机或者制冷机功能。此外，中南大 学刘益才等人对回热器结构频率进行研究，指出回热器结构振动是影响热声转化 效率的因素之一【2 4 】。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 热声发动机实验研究进展 热声发动机是利用利用热能产生声，根据声场的不同，可以分为驻型性热声 发动机、行波型热声发动机以及混合型热声发动机。下面分别介绍各种热声发动 机实验研究进展。 1 3 1 驻波性热声发动机的研究进展 1 9 6 2 年，美国新墨西哥大学c a r t e r 和f e l d m a n 研制出世界上第一台有显著声 功输出的驻波型热声发动机，以6 0 0 w 的加热功率获得了2 7 w 的声功率，热声 热机研究进入实用阶段【2 5 】。他们在s o n d h a u s s 管中采用适当结构来提高热声热机 效率，大大加强了管内热声效应，这是现代热声发动机的先驱。 美国l o sa l a m o s 国家实验室从2 0 世纪8 0 年代开始研制驻波型热声发动机， 图l 一3 为s w i f t 等人建立的第一台驻波型热声发动机【2 6 】，在7 k w 加热功率条件下， 产生了6 3 0 w 的声功，热效率为9 ，最大声压幅值可达到平均压力的1 6 。在 实验中对加热功率，板叠热端和冷端温度以及系统中所产生的压力波进行了仔细 的测量。验证了线性热声理论对热声发动机小振幅工况良好的适用性。美国l o s a l a m o s 国家实验室、美国国家标准技术研究所与c r y e n c o 公司共同合作研制的 燃气驱动热声脉管制冷机液化天然气的装置，是热声发动机工程化得一次飞跃。 目前这个项目的研究目标是燃烧2 0 的天然气，液化剩余8 0 的天然气，这是 一个真正有工程应用意义的项目【2 7 捌。 图卜3l o sa l a m o s 研制的大振幅驻波型热声热机示意图 日本大学m a t s u b r a 和朱绍伟及周淑亮等人也开展了驻波型热声发动机的研究 工作，他们将两组相同的热声板叠以及热端和和冷端换热器布置在谐振管的两 端，建立起双边驱动的驻波型热声发动机f 2 9 川。采用铜丝网代替卷板型热声回热 器，虽然流动阻力有所增加，但由于丝网之间存在接触热阻，可有效减少板叠轴 向导热所造成的热损失。在丝网目数优化实验中发现：工作气体的热渗透度与丝 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 网水力半径之比约为0 3 5 时可提供热声发动机所需的不良性热阻，获得较好的 热声转换性能，为驻波型热声发动机丝网回热器目数选择提供了指导。在加热功 率为8 3 3 w 时，得到2 6 w 的声功输出。此外还观察到谐波成分的产生和基频向 二阶模态的频率突变现象，认为这与谐振管同热声回热器长度比例关系以及回热 器在谐振管中的安装位置有关。 1 9 9 8 年，美国p e n n s y l v a n i as t a t e 大学的c h e n 和g a r r e t t 3 l ，3 2 】建立了世界上第 一台太阳能驱动的驻波型热声发动机，验证了热声发动机以太阳能作为驱动热源 的可行性。以一根4 0 c m 长，一端开口的管作为谐振管，采用直径为3 英尺的透 镜将太阳能聚集在热端，得到4 2 0 h z ，1 2 0 d b 的声波。 国内浙江大学、中国科学院理化所、华中科技大学在驻波型热声发动机实验 研究方面做了大量研究。华中科技大学郭方中等从9 0 年代初开始热声发动机的 研究，他们建成的热声发动机以氮气为工质，在热端换热器加热温度为5 0 0 时， 压力幅值可达到平均压力的1 0 0 1 3 3 3 4 。浙江大学从9 0 年代起开展驻波型热声发 动机的实验研究，他们建立了一台以氮气和氦气为工质的对称型双边驱动的驻波 型热声发动机，均获得压比为1 1 的压力波【3 5 , 3 6 1 。2 0 0 4 年中科院理化所戴巍等人 建立的驻波型热声发动机，采用电加热方式，在加热温度6 0 0 c ，获得1 2 3 的压 比t 3 7 1 。2 0 0 7 年他们又建立了一台频率3 0 0h z 的高频驻波发动机，以氦气为工 质，压比可以达到1 2 以上【3 8 】。 图1 - 4c e p e r i e y 提出的行波热声热机示意图 图1 - 5y a z a k i 行波热声热机示意图 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 2 行波性热声发动机的研究进展 在驻波热声机械获得极大发展的同时，行波热声机械也取得了很大的进展。 美国g e o r g em a s o n 大学c e p e r l e y t ”j 于1 9 7 9 年提出了一种共振型行波热声热机， 如图1 4 所示。其工作原理为：声波发生器提供动力产生声振荡，在声回路中产 生近共振的行波声场，吸热器利用等温热声效应，从低温热源吸收热量，这个热 量，由回热器消耗声功从低温端泵向高温端；放热器将由回热器来的热流释放给 环境。根据c e p e r l e y 的设想，y a z a k i 3 9 j 等人于19 9 8 年首先实现了环路行波型热 声发动机，结构示意图见图1 - 5 。并且通过实验比较了行波型和驻波型热声发动 机的自激振荡边界，验证了两种类型热声发动机对工作气体与固体边界热接触条 件的不同要求。在他们的研究工作中，发现了环路行波型热声发动机由于板叠处 声阻抗低，工作气体振动速度较大，造成了严重的粘滞耗散损失，成为限制行波 型热声发动机效率的重要原因。 中国科学院理化技术研究所的罗二仓等【4 0 】从1 9 9 8 年开始在国际上独立地 开展了行波热声发动机的研究，并予1 9 9 9 年9 月研制出国内第一台行波工作 机制的热声发动机，在5 0 0w 加热功率下有6 0 w 左右的声功输出。2 0 0 7 年研 制了一台聚能型行波热声发动机，该发动机以氮气作为工质，压比更是达到了 1 4 以上，可以说这是目前世界上报道的性能最高的热声发动机【4 。此外2 0 0 3 年 浙江大学邱利民等建立了一台大型多功能行波型热声发动机，该发动机长4 5 m ， 高1 2 5 m 。在平均压力为2 m p a 氦气，谐振频率为4 5 h z ，加热功率4 k w 的情况 下，获得1 1 9 的压比。并在试验中采用充放气的外加扰动方法降低了系统的起 振温度，有助于热声发动机对低品位能源的利用【4 2 】。 1 3 3 混合型热声发动机的研究进展 l o sa l a m o s 热声研究小组经过2 0 年的研究发现，由于驻波热声转换机制的 内在不可逆性，驻波热声发动机的热效率极限值约为2 0 1 4 3 1 。行波热声发动机 又因气体工质的低声阻抗带来的高流速引起回热器内严重的粘性损失，实际热声 转换效率也很低。1 9 9 9 年，b a c k h a u s 和s w i l l 巧妙地结合了驻波声场的高阻抗和 行波声场的可逆热力循环的优势，设计并制作了如图1 6 所示的世界上第一台混 合型热声发动机 4 4 1 。即通过在环路结构谐振器上旁通谐振管，使回热器处的声阻 抗提高3 0 倍，大大降低了回热器内的粘性耗散，并有效抑制了g e d e o n 声直流造 成的附加热损失，最终将热效率提高到3 0 ，可与传统的活塞式斯特林发动机 ( 2 0 3 8 ) 相媲美，促成了混合型热声发动机研究的迅速兴起。但这种机型 存在g e d e o n 声流、环路热应力问题、抑制声流措施调节灵活性差、输出功率密 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 度低、结构不紧凑等方面的缺点。 _ _ _ 一一 一_ 一月t 自0 9 _ _ _ i 一 熊 z i 二一 酽 磊剁良 溅谬 图卜6s w if t 建立的热声斯特林发动机 2 0 0 1 年，日本筑波大学的b i w a 4 孓4 7 】等人采用透明的有机玻璃管，建立了一 台小型的斯特林型热声发动机，谐振管的长度为1 0 4 米。详细测量了发动机内 部的压力、体积流率和声功的分布。在实验中发现随着热量的加入，系统首先以 驻波模态起振，然后跃迁到行波模态，他们采用熵增最小原则解释这一特殊的实 验现象。但是由于频率提高，尺寸减小导致不同模态的出现，在一定程度上造成 系统能量的损耗，系统的振荡压力幅值仅为3 k p a 。 2 0 0 2 年，u e d a 等人研制了另外一台小型斯特林型热声发动机【4 8 , 4 9 】，他们在 谐振管后面加了一个体积为2 0 l 的谐振腔，此系统仅出现一个振荡模态。 2 0 0 3 年，d l g a r d n e r 和g w s w i f t 成功开发了第一台2 5 h z 的级联型热声发 动机 5 0 , 5 1 j ，在2 0 的热效率水平上可输出2 k w 的声功。 同期，国内也开展了斯特林型热声发动机的研究。2 0 0 1 年，中国科学院理 化技术研究所的李青等人建立了一台小型高频斯特林型热声发动机，对高频情况 下，发动机的起振特性和调相机理进行了深入的研究 5 2 , 5 3 】。发现系统存在高频与 低频两个振动模态以及两个模态跃迁的特殊现象；同样在高频情况下，两个模态 的出现使他们的发动机仅获得约1 0 k p a 的振荡压力幅值。2 0 0 5 年中国科学院理 化技术研究所的罗二仓等人报道了聚能型斯特林型热声发动机【5 4 】。该实验样机采 用3 m 长直径分别为8 0 m m 和2 0 0 m m 的锥形管代替等直径谐振管，有效地抑制 了谐振管内声波的非线性传输和耗散，强化了声振荡。他们在1 5 2 m p a 氦气的 条件下，谐振频率为9 1 h z ，加热温度为6 7 0 c 时，获得1 3 0 的压比，这是目前 所报道的环形圈型行波热声发动机实现的最大压比。2 0 0 7 年胡忠军和李青等人 报道了一台微型化驻波一行波级联型热声发动机【5 5 , 5 6 。采用第一级驻波型和第二 级行波型的两级结构，总长为1 2 m ，以氮气为工质，工作频率为4 7 0 h z ，输入功 率2 0 0 w ，工作压力为2 m p a ，压力波峰峰值为0 0 4 8 m p a 。 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 本文的主要内容 热声发动机在余热利用、低品位热源应用方面展现出广阔的前景，目前热声 技术的研究工作前沿已经进入实用化阶段。但目前热声热机的研究多集中于热声 热机驱动脉管制冷、热声制冷机以及微型热声热机，而且存在一系列问题，主要 体现在： ( 1 )目前热声发动机普遍存在热声转换效率低、等体积功率输出低、以 及体积较大等缺点； ( 2 )目前热声发动机多直接采用太阳能等低品位热源，对工业余热利用 方面先由研究； ( 3 )对于微型热声系统，存在由于尺寸减小而引发粘性损耗增大，声场 不匹配等众多问题。 针对目前热声热机研究中存在的问题，依据国内外研究成果，对热驱动热声 发动机展开进一步探索，全文主要内容分为六章： 第1 章介绍了本文的课题研究背景，简述了热声理论以及热声发动机实验 的进展，提出全文的主要内容； 第2 章简要介绍了热声理论基础：线性热声理论，分析了热声系统中的热 动力学过程，介绍了热声回热器内部结构声理论以及引起结构声波的两种情况； 第3 章介绍了热声回热器中声波传播的声学理论基础，建立板叠回热器矩 形声波导管模型，对回热器结构进行计算；利用流体网络基础，建立回热器网络 模型，对阻抗及流阻进行了计算； 第4 章自行研制一台热驱动热声发动机，进行一系列实验，对热声起消振 过程、以及影响热声发动机工作因素进行了研究； 第5 章简单介绍工业余热驱动热声发动机，对热声热机热端换热器进行改 进，并通过实验验证； 第6 章全文工作总结以及对后续工作展 9 中南大学硕士学位论文第二章热声发动机的线性热声理论及回热器结构声分析 第二章热声发动机的线性热声理论及回热器结构声分析 2 1 前言 热声理论的研究始于1 8 6 8 年k i r c h h o f f 对管中气流振荡衰减的研究【4 5 j ， r o r 7 , 8 】建立的理想气体的驻波声场线性理论模型开启了热声理论的系统研究。随 后，s w i r l f 】等人对r o r 的热声理论进行了进一步的研究和发展，并成功实现了 热声热机的工程化应用。其短板叠近似假设的线性热声理论现在已经被各国学者 们广泛使用于热声系统的设计和仿真中，线性热声理论考虑了有限换热和粘性效 应两种损失，在小振幅的情况下，能够很好的对热声现象进行解释和预测。但热 声转换过程中仍存在一系列的非线性因素，中南大学刘益才 5 7 , 5 8 1 等人对回热器中 填料振动进行了一系列研究，发现回热器填料的特征频率对结构振动有直接影 响，并认为这是热声系统非线性化的因素之一。 本章将简单介绍热声系统的线性热声理论，并对各个热声方程的物理意义进 行解释，此外还将对回热器结构声产生机理进行简单介绍。 2 2 线性热声理论基础 2 2 1 管内非等熵振荡热声效