（制冷及低温工程专业论文）混合型热声发动机的输出特性研究.pdf

浙江大学硕十学位论文摘要 混合型热声发动机的输出特性研究1 白昆 浙江大学制冷与低温研究所，浙江杭州，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机械能的新型动力机械，与传统的 动力机械相比，它具有无运动部件、结构简单、运行可靠、无污染以及长寿命等 优点。因此近年来，热声发动机成为相关领域的研究热点。 本文首先回顾了国内外热声发动机的发展历程和研究现状，然后介绍了热声 效应的基本原理，并对线性热声理论和流体网络理论进行了详细的阐述。虽然热 声发动机的研究已取得了许多可喜的成果，但仍存在一些不足，如输出压比小、 效率低等。此外，如何匹配和优化热声驱动脉管制冷机的结构还需要进一步研究。 因此，本文对热声发动机的输出特性及在驱动脉管制冷机匹配、优化方面开展了 如下工作： 1 采用亥姆霍兹共鸣器提高热声发动机的输出压比。理论计算表明，亥姆霍 兹共鸣器不仅具有扩声作用，而且可以提高热声发动机的输出压比采用l l 和 9 0 m l 亥姆霍兹共鸣器时，分别获得了1 3 2 4 和1 4 9 的末端压比；在合适的阻抗 下，用r c 负载法测得1 4 3 5 w 和1 1 5 8 w 的最大输出声功以及4 2 8 和8 2 8 的最大声功输出效率。 2 对亥姆霍兹共鸣器耦合声压放大器的三管道系统传输特性的数值模拟和 试验研究。研究表明，三管道耦合系统能大幅度提高输出压力振幅，其压力振幅 的放大能力大于亥姆霍兹共鸣器。为匹配和优化热声驱动脉管制冷机提供参考。 此外，试验表明三管道耦合系统在合适的输出端阻抗下最大能得到1 0 5 w 的声功 和4 9 的声功输出效率。 3 对以二氧化碳为工质的混合型热声发动机的理论和试验研究。试验结果表 明，二氧化碳在充气压力为o 8 m p a 时，热声发动机的最低起振温度仅为1 3 1 ， 均低于以氮气和氦气为工质时的起振温度。在相同条件下，以二氧化碳为工质时， 热声发动机振动的压力振幅和压比也要高于以氮气为工质的。此外，以二氧化碳 为工质的热声发动机具有更低的谐振频率。 关键词：热声发动机 亥姆霍兹共鸣器输出特性二氧化碳 受罔家自然 ： 学基金重点项h ( e 5 0 5 3 6 0 4 0 ) 和教育部新世纪优秀人才资助计划( n c e t - 0 6 0 5 2 1 ) 资助的课题。 i i 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 cs t i r l i n ge n g i n e 2 b a i k u n i n s t i t u t eo fr e f r i g e r a t i o na n dc r y o g e n i ce n g i n e e r i n g ，z h e j i a n g u n i v e r s i t y h a n g z h o u3 10 0 2 7 ，p r c h i n a a b s t r a c t w i t h o u tm o v i n gp a r t s ，at h e r m o a c u s t i ce n g i n e ( t e ) i san e wt y p eo fe n g i n e c o n v e r t i n gt 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 yt h e r m o a c o u s t i ce f f e c tw i t l l a d v a n t a g e so fs i m p l i c i t y , h i g hr e l i a b i l i t y , n o n p o l l u t i o na n dl o n gl i f e t i m e ，w h i c h a t t r a c tm u c ha t t e n t i o ni nt h ef i e l do ft h e r m a le n g i n e f i r s tar e v i e wo nr e s e a r c hh i s t o r ya n dt h el a t e s ta d v a n c e so ft e sa r e g i y e n f o l l o w e db yab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h e r m o a c o u s t i ce f f e c t ，a n d t h e nt h el i n e a rt h e o r ya n df l u i dn e t w o r k t h e o r ya r ei n t r o d u c e di nd e t a i l s a l t h o u g hal o to fa c h i e v e m e n t so nt h er e s e a r c ho ft e sh a v eb e e no b t a i n e d ，t h e r e a r es t i l ls o m ed e f i c i e n c i e ss u c ha sl o w p r e s s u r er a t i oa n de f f i c i e n c y m o r e o v e r , f u r t h e r s t u d yi sn e e d e do nm a t c hb e t w e e nat ea n dap u l s et u b er e f r i g e r a t o r ( p t r ) t os o l v e s u c hp r o b l e m s ，w o r kh a sb e e nd o n et os t u d yt h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so fat ea n d o p t i m u mm a t c hb e t w e e nat ea n dap t r 1 ah e l m h o l t zr e s o n a t o ri sp r o p o s e dt oi m p r o v et h eo u t p u tp r e s s u r er a t i oo ft h e t e i nah e l m h o l t zr e s o n a t o rw i t h1l r e s e r v o i r , t h em a x i m u mp r e s s u r er a t i o a c o u s t i c p o w e ra n dt h e r m a le f f i c i e n c yr e a c h1 3 2 4 ，1 4 3 5 w ，a n d4 2 8 r e s p e c t i v e l y , a n di na r e s o n a t o rw i t h9 0m l ，t h em a x i m u mv a l u e sr e a c h 1 4 9 ，115 8 w ，a n d8 2 8 r e s p e c t i v e l y 2 n u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hh a sb e e nd o n eo nac o u p l e ds y s t e m c o n n e c t i n gah e l m h o l t zr e s o n a t o rw i t ha na c o u s t i ca m p l i f i e r , w h i c hi su s e dt om a t c ha t ea n dp t r e x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h ec o u p l e ds y s t e mc a ng r e a t l yi n c r e a s et h e o u t p u tp r e s s u r er a t i om u c hh i g h e rt h a nah e l r n h o l t zr e s o n a t o r w i t ht h ec o u p l e d s y s t e m ，m a x i m u mo u t p u ta c o u s t i cp o w e ro f10 5wa n dt h e r m a le f f i c i e n c yo f4 9 a r e o b t a i n e du n d e rt h ec e r t a i nr e s i s t a n c e 3 at ew i t hc 0 2a sw o r k i n gg a sh a sb e e ns t u d i e dn u m e r i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l y at ew i t hc 0 2a sw o r k i n gf l u i dc a nw o r kw i t hl o w e ro s c i l l a t i n gt e m p e r a t u r e ( 1 31 u n d e rt h ec h a r g i n gp r e s s u r eo f0 8 m p a ) ，l o w e rr e s o n a n tf r e q u e n c ya n dh i g h e r p r e s s u r e r a t i ot h a nt h a tw i t hn 2a n dh eu n d e rt h es a m e e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n 2t h i sw o r ki s f i n a n c i a l l ys u p p o r t e db yn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n au n d e rc o n t r a c tn o e 5 0 5 3 6 0 4 0a n d p r o g r a mf o rn e wc e n t u r ye x c e l l e n tt a l e n t si nu n i v e r s i t yu n d e rc o n t r a c tn o n c e t - 0 6 0 5 21 浙江大学硕f j 学位论文 a b s t r a c t k e y w o r d s ：t h e r m o a c u s t i ce n g i n e ；h e l m h o l t zr e s o n a t o r ；o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s ；c a r b o n d i o x i d e i v 主要符号表 声速 通道横截面积 m 2 】 定压比热容 j ( k g k ) 】 直径 m 】 声功【w 】 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 、明 电容，流容 普适气体常数，电阻，流阻 虚数单位 复数的实部 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 m 质量流量 k g s 】 压力 p a 】 制冷量 w 】；加热功率【w 】 通道的表n 积 m 2 】 时间 s 】 绝对温度 k 】 速度 m s 】 体积流率 m 3 s 体积 m 3 】 声功 w 】 声传播方向的位置 差值 梯度，拉普拉斯算子 热膨胀系数 绝热指数 渗透深度 m 】 粘滞系数 p a s 】 声波波长【m 】 v 0 相位差【o 】 p密度 k g m 3 】 缈 角频率 h z 】 丹普朗特数 兀周长【m 】 r实际温度梯度与临界梯度比值 r o 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 气雄 h 热端 r 热的 f液体 脚 平均量 s o l i d 固体壁面 丁气库 v 粘性的 一 复数的共轭运算 一时均运算目录 a 么 郎d e厂五 日c r ；氏后k，工廊 p q s ，r 甜u 矿形 xv厂万 旯 学号2 q 鱼q 昼2 三窆 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，也不包含为获得逝鎏盘堂或其它教育机 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：白昆 签字日期：2 田髟年6 月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘茔有关保留、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。本人授权逝至三盘堂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：臼瓦 导师签名： 卵如1 比 签字日期：撕y 年易月f 2e l 签字日期：舢汐年月e t 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕十学位论文 致谢 致谢 本文是在导师邱利民教授悉心指导下完成的。在2 年攻读硕士期间，邱利民 教授给予了我无私的指导和帮助。邱老师年富力强、学术造诣高深、知识渊博、 治学严谨，邱老师积极鼓励我们不断前进。在邱老师的精心指导和帮助下，我的 理论水平和试验能力得到了很大提高。从邱老师身上学到的不仅是科研的能力， 更是严谨的治学态度、求是的科学作风以及为人处世的态度。这些都将使我终生 受益，如今毕业在即，在此谨向邱老师表示衷心的感谢! 我还要感谢低温所的所有老师在我硕士期间给予的帮助和指导。他们是：陈 国邦老师、陈光明老师、甘智华老师、金滔老师、张学军老师、张小斌老师以及 孙大明老师等。此外，我还要感谢在试验过程中给予我帮助的黄师傅、胡师傅、 张师傅和平师傅等。 在试验室一年多的时间里，师兄王波博士给予了我很多帮助和指导，从师兄 身上我学到了很多东西，在此表示感谢。还要感谢已经毕业工作的师兄肖勇硕士、 师姐胡进勤硕士和史俊茹硕士，师兄禹光哲硕士和陈运鑫硕士。 感谢试验办公室2 0 4 的同学们：代黎硕士、刘国军硕士、刘靖硕士、孙贺硕 士以及吴鹏硕士。感谢他们的关怀和帮助，感谢他们陪我度过了愉快的2 年时光。 感谢师姐焦波博士和李卓裴博士，师兄赖碧晕博士和董文庆博士以及师弟巢 伟硕士、师妹刘钰硕士。感谢他们在我硕士期间给予的帮助和关怀。 最后我要特别感谢我的父母和姐姐，他们多年来无私的关怀和支持始终是我 前进的动力。感谢在我成长道路上给予帮助的所有同学和朋友们。 衷心祝愿大家快乐幸福! 白昆 2 0 0 8 年6 月 于浙大求是园 浙江人学硕十学化论文 第一章绪论 1 绪论 本章首先介绍课题的背景及意义，随后回顾了热声发动机的发展历程和研究 现状，并指出热声发动机研究的发展趋势。最后简要介绍了本文的主要工作。 1 1 课题背景及意义 人们对热声现象的认识可以追溯到2 个世纪之前，科学家们对热声现象进行 了许多研究，但真正有意识地开发利用热声效应的历史却很短，实用的热声发动 机更是直到上世纪8 0 年代初才逐步出现。 热声效应指的是热能与声能之间相互转换的一种现象。通过振荡流体与处 于声场中的固体介质之间的相互作用，在产生或者吸收声功的同时，距固体壁面 一定范围内沿着( 或逆着) 声传播方向产生时均热流。 按照能量转换方向不同，热声效应可以分为两类：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。 我们之所以研究热声系统，是因为它具有以下的优点： 1 热声机械结构简单、磨损小、寿命长，将热声发动机与脉管冷机可以组合 成完全没有运动部件的制冷机，这从根本上消除了常规机械制冷机存在的磨损与 振动，无须润滑油。满足空间系统等场合对制冷机长寿命的要求。 2 由于制冷工质中的c f c s 和h c f c s 对臭氧层的破坏，以其为工质的制冷机 正在被禁止，而热声制冷机使用无公害工质( 如惰性气体等) 不会破坏臭氧层，也 不会造成温室效应，是一种“环保型绿色制冷机”。 3 热声机械可以利用太阳能、燃气及工业废热等作为驱动热源，这为我们热 声机械的应用提供了很大的灵活性，特别是可采用低品位的热能，不仅有利于提 浙江大学硕十学位论文第一章绪论 高系统的热力学效率，而且对于那些缺乏电能而太阳能富集的场合则更具有实际 意义。 4 热声技术潜在的应用领域广泛，特别在空间技术、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、室温制冷以及天然气液化等。 热声热机作为一种新型的动力机械，近些年得到了越来越多的关注，其发展 势头十分迅猛，应用前景也非常广泛，它对于低品位能源的利用以及长寿命低损 耗热机的开发都有重要的意义，对于我国这样一个能源消耗量越来越大的国家也 具有越来越重要的意义。 1 2 热声发动机发展历程和研究现状 1 2 1 热声现象的发现 热声效应现的发现最早可以追溯到两个世纪前。早在1 7 7 7 年，b y r o nh i g g i n s 就在试验中发现，如果将氢气火焰放在两端开口的垂直管的适当位置，管中会激 发出声音，这就是历史上称为”歌焰”的第一次发现。此外，吹玻璃工人也发现： 将一个玻璃连接到一根中空玻璃上时，管子的尖端处就会发出声音。正是源于这 些偶然的发现，人们开始踏上了热声效应的探索之旅。 图1 1s o n d h a u s s 管图1 2r i j k e 管 1 8 5 0 年，s o 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 了定性研究，为此人们把这种一端封闭、一端开口的热声振荡管命名为” s o n d h a u s s 管”i l - 2 1 ，如图1 1 所示。9 年之后，r i j k e 在将加热的丝网放到一根 两端开口的垂直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” 2 浙汀大学硕 j 学位论文第章绪论 如图1 2 所示，并对这种以后被称为”r i j k e 振荡”的现象进行了定性分析 3 训。 实际上，m i k e 管和s o n d h a u s s 管正是行波型和驻波型热声发动机的雏形 在对热声现象进行了初步的定性研究后，人们开始了对热声现象本质的探索 和研究。1 8 6 8 年，k i r e h h o f f 计算了声在管中有固体等温管壁和维持声波的气体 之间的振荡的热传导引起的衰减量 5 j ，被认为是热声学理论分析的起源。1 8 7 8 年，l o r dr a y l e i g h 首先对热声振荡现象给出了定性解释【6 1 ，这是人们第一次从理 论上对热声现象进行探讨，为热声理论发展奠定了基础。1 9 6 9 1 9 8 0 年，r o t t 提 出了一维线性热声理论，他推导出的理论框架是分析热声机械( 包括热声发动机 和热声制冷机) 的理论基础，也是至今应用最广泛的理论限h j 。1 9 8 8 年l a n l ( 美 国洛斯阿拉莫斯实验室) 的s w i f t 在r o t t 热声理论的基础上，对热声理论的基本 原理作了进一步的阐述，并总结了热声发动机机各种形式、主要组件及此前的热 声理论1 1 5 - 1 7 1 。1 9 8 8 年，s w i f t 发表了一篇名为”t h e r m o a c o u s t i ce n g i n e ”的文章， 标志着继r o t t 之后，现代热声学进入一个新的阶段。此后，热声研究开始进入 了实用化探索阶段。 1 2 2 热声发动机研究历程 热声理论的建立为热声发动机的设计和制造奠定了基础。 1 9 6 2 年，美国墨西哥大学的c a r t e r 和f e l d m a n 在s o u n d h a u s s 管的基础上进 行了改进，他们在s o u n d h a u s s 管中加入了类似平行板的板叠，极大的加强了热 声效应，研制出了世界第一台具有显著声功输出的驻波热声压缩机1 8 1 。从而揭 开了研究和制造热声发动机的序幕。 1 9 7 9 年，美国g e o r g em a s o n 大学的c e p e r l e y 基于对s t i r 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的认识，创造性地提出了行波热 声热机概念1 1 9 】。他提出利用声波来控制气体的压力和运动，以消除所有的运动 部件。虽然c e p e r l e y 制成了实验样机，但却没有得到放大声功的效果。 1 9 9 8 年，日本的y a z a k i 和t o m i n a g a 把c e p e r l e y 的设想变成了现实，首先实 现了环路行波热声驱动器( t r a v e l i n gw a v et h e r m o a c o u s t i ce n g i n ei nal o o p e dt u b e ) 1 2 0 1 如图1 3 所示，该机型的稳定以及产生的声功同一般的共振管中差不多，但 它的起振温度明显低于后者。由于气体工质较低的声阻抗，当回热器的热平衡时 间较小时，过低的声阻抗会在回热器处引起巨大的粘性损失，所以该热声热机的 效率比较低。 】3y “a k i 设纯。t n 4 * $ i 自b - 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7 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，其谐振首长度为4 0 c m ，正常工作时频率为4 2 0 1 4 2 ， 在离谐振管开口端1 m 处可测得1 2 0 d b 声波p ”。 1 9 9 9 年，s w i l t 等o - r - r 3 1 以行波热声热机的概念为指导，建造了第一台高效 能s t r i r l i n g 热声热机( 囤1 4 ) ，由于该热声发动机中工质经历的是可逆的s t r i r l i n g 循环，因而热力学效率远远高于驻波热声发动机，其最高热声转换效率可达到 3 0 ，甚至可以与传统的内燃机( 2 5 4 0 ) 相媲美，该成果发表在n a t u r e 杂 志上。这一发明成果入选了1 9 9 9 年度美国l o 项”r & d 1 0 0 ”奖。它指出7 完全 没有运动部件的斯特林热声发动机的热效率可以和传统的斯特林热机相姥美的 可行性，是热声发展史上又一里程碑，极大地鼓舞了热声研究者的热情，促进7 世界范围内热声研究工作的发展。 浙汀大学硕f 学位论文第一章绪论 2 0 0 1 年，日本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 。 2 4 1 。 2 0 0 2 年，法国p e n e l e t 和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 , 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【2 5 ：| 。 我国的热声研究开始于上世纪八十年代。虽然只经历了短短的2 0 多年时间， 但是却取得了可喜的成绩。 浙江大学的陈国邦等于1 9 9 6 年成功研制成了国内首台采用丝网板叠的半波 长热声发动机，如图1 5 所示，该热声发动机在以氦气和氮气为工质时分别获得 了1 0 6 和1 1 2 的压比。此外，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 2 6 - 2 7 j 。 加热器板叠水冷却器谐振管高温气库 图i 5 际国邦等研制的驻波型热声发动机示恧图 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 年研制出一台行波热声发动机，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象f 2 8 1 。 2 0 0 2 年，中国科学院理化技术研究所罗二仓等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 ，平均振幅0 0 1 4 m p a i 凹j 。 浙江大学硕l 。学位论文第一帝绪论 1 加热嚣2 回热器3 惯性管4 冷端抉热器5 客性空闻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 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 t 3 0 1 。 二、 卜一厂_ r 一一一r 一一一ff - j ! ， 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斯特林热声发动 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，即用锥形管 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 3 1 - 3 2 】 6 #吲 - myt卅一 一。 誊鲁一鐾篱嚣汛 浙汀火学硕 ：学位论文第一章绪论 1 3 热声发动机的应用 1 3 1 热声发动机驱动脉管制冷机 热声发动机经过几十年的研究已经取得了很大的进展。此外，热声发动机在 实际应用方面也取得了可喜的成绩。采用热声发动机代替传统的机械压缩机来驱 动脉管制冷机，可以创造出完全无运动部件的低温制冷机，将制冷机噪音、磨损 等降到最低程度。 1 9 9 0 年，美国l o s a l a m o s 国家实验室的s w i t 置和美国国家标准与技术研究 院( n i s t ) 的r a d e b a u g h 建立了世界上第一台热声驱动的脉管制冷机，该装置 消耗3 0 0 0 w 热能获得的最低制冷温度为9 1 k f ”i ，在1 2 0 k 时的制冷量为5 w ，被 评为美国当年的1 0 0 项最重大研究进展之一。 1 9 9 7 年，s w i l t 与美国c r y e n c o 公司合作开发出第一台实际应用的驻波型热 声天然气液化器，它燃烧3 0 4 0 可液化剩余的6 0 7 0 的天然气【3 4 1 。2 0 0 0 年， 在此基础上研制出日产量为5 0 0 加仑( 约合1 9 0 0 升) 天液化天然气的模型机， 所需的制冷功率为7 k w l 3 引。此外，日产3 8 0 0 0 升的l n g 机器已列入了研究计划， 该方案希望通过燃烧1 5 的天然气来液化剩余8 5 的天然气。 国内浙江大学的陈国邦也开展了对热声驱动脉管制冷机的研究。2 0 0 1 年， 分别以纯氦和氦氩混合气体为工质驱动脉管制冷机获得了1 1 9 7k 和1 1 7 6k 的 低温f 3 6 1 ，在此基础上通过对制冷系统结构的进一步优化，在2 0 0 5 年达到了8 8 6 k 的无负荷制冷温度【”】。最近汤珂、包锐等在对驻波型热声发动机改进后驱动单 级脉管制冷机达到了5 6 4 k 的无负荷最低制冷温度【3 8 1 。2 0 0 0 年，浙江大学邱利 民等开始研制国内首台大型行波热声发动机，2 0 0 4 年初，该行波热声发动机驱 动的脉管制冷机获得了8 0 9 k 的低温1 3 引。 1 3 2 热声发动机驱动发电机 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 8 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g , j o 1 5 1 4 。 7 ke cr s bl n 【jj a lo n 茁18b a c k h a u s ! j1 w a r d 等、圻缸曲热声发讪机 2 0 0 7 年，中科院的罗二仓等采用聚能型行波热声发动机驱动直线发电机， 成功研制出百瓦级的行渡热声发电机原理样机0 4j ( 如图19 所示) ，成为国际上研 制出行渡热声发电原理样机仅有的两个单位之一。当有1 0 0 0 w 的声功输出时， 能得到l o o w 左右的电能。实验测试表明，该直线发电机的声电转换效率可达到 8 0 以上。 目i9 n 披热发电机漉g 意目 1 4 热声发动机研究的趋势 14 1 低品位能源的利用 能源问题一直都困扰着社会的发展。低品位热能如工业废热、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和环境污染，此外由于技术 和经济方面的原因，太阳能的利用领域和水平相当有限。而热声发动机能将热能 转化为声功( 机械能) ，它可以用低品位热能和太阳能进行驱动。 起撮是指回热器( 或热声板叠) 达到某一临界温度梯度时工作流体由静止状 浙江大学硕l 学位论文 第一章绪论 态向周期性振荡状态转化的过程。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。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【荆刀，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1 4 8 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 4 2 高效率的热声发动机 尽管热声发动机的研究取得了许多成果，但是仍然存在效率低的缺点。行波 热声系统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。此外，在其闭合回路会出现”声直流”现象1 4 引，导致系统效 率大大降低。驻波系统虽然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，然而在驻波系统中却不存在直流现象。 为了利用行波和驻波热声系统各自的优点。人们提出了串级发动机的概念 4 3 i 。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，这样可以有效的提高热声 发动机效率，并且大大简化了系统结构。如图1 1 0 所示的实验样机是2 0 0 2 年美国 的l o s a l a m o s 国家实验室做成的，其热效率能够达到2 0 以上。 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 1 0 串级热声发动机原理图 1 4 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 浙江人学硕 ：学位论文 第一币绪论 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。热声发动机的系统轴向长度一般- 9 波长 大致成比例关系，其长度一般是1 4 波长，接近5 米。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，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 声发动机，如图1 1 1 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 c ，大大低于常规热声发动机的起振温差h 引。 。、黼w 蝴 _ _ _ _ 。! 。_ - - “ 一竺， 三盆蕊 “m 嬲嬲貔臻黝一誊掣” t 一p 8 一l ， j 簪一 。1 。 l 。蒜l f ； 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1 5 们。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 x - 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。 1 4 4 热声发动机的输出特性研究 目前，热声发动机除了效率低外，在输出性能方面存在输出压比小的缺点。 通常压比越大，热声发动机对外做功能力也越强，即驱动能力越强。提高热声发 动机的输出性能主要有两种方式：首先是提高热声发动机本身的驱动能力，其次 是改进热声发动机与负载( 如脉管制冷机、发电机) 之间的耦合机制。较第一种 方法而言，优化热声发动机与负载之间的耦合机制，在不改变热声发动机本身结 构的前提下，可以提高其输出性能，相对简单和经济。 2 0 0 5 年，罗二仓等提出”声学泵”的概念，”声学泵”实质上是连接热声发 动机与脉管制冷机( 或负载) 的一段管路。采用声学泵的热声发动机获得了1 4 7 的输出压比，最大压力振幅达到了0 9 8m p a 5 1 】。 此外，他们还研发出了”二介质耦合声学放大器”，该放大器不仅可降低工 作频率，且可同时提高压比，将其用于聚能型发动机驱动的二级脉管制冷机，获 l o 浙江人学硕十学位论文第一荦绪论 得了1 8 3 k 的最低温度，首次在国际上突破了液氢温度( 气) ，e - ( 1 + i ) y 4 , 约等于零。令z 拭( 2 1 4 ) 的 右项为零，可以得到临界温度梯度的表达式【5 6 1 ： v ：垡堕 成c 口“1 ( 2 1 5 ) 式中，= 一( 印a 丁) p 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： 左：i 1 兀吼a x 坐( ( y r v r v ， 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，会发生热致声效应；v7 ：，i ( v 时，热声效应导致 功流小于零，即热声效应表现为热流从低温端流向高温端，并消耗输入的声功则 会发生制冷效应。 2 1 2 线性热声理论 瑞士苏黎士联邦技术研究所的r o t t 等人于1 9 6 9 1 9 8 3 年间提出了热声振荡定 量理论1 7 - 1 4 j ，建立了小振幅条件下的线性热声模型，对线性热声效应机理进行了 定量的理论分析，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，从而奠定了现代线性热声理论的基础。现在线性热声理论已成 为热声热机工程应用的强有力工具，被广泛接受和认可，并应用到热机系统中。 在r o t t 的研究工作基础上，线性热声理论迅速发展。1 9 8 8 年，s w i f t 等对线性热声 理论进行了系统的阐述和总结 1 5 - 1 7 】。 下面我们从热声学基础知识的角度出发对线性热声理论进行介绍。 ( 1 ) 基本假设条件： 1 ) 声学振幅很小，且不会发生强紊流。 2 ) 气体工质为理想气体，而且假设振动的压力、温度、速度等物理参数统一按 照公式( 2 7 ) ( 2 1 0 ) 的形式表示 3 ) 热穿透深度与粘性穿透深度都远小于波长，并忽略板叠纵向方向的导热。板 叠的长度远比系统小，忽略其对系统声场的影响。 4 ) 板叠( 或回热器) 的热容无限大，且不考虑气流振荡对板叠温度的影响。 ( 2 ) 热声学基础 结合流体力学、传热学、工程热力学及声学基础的知识可以得到热声系统中 流体的控制方程组【5 8 1 。 连续性方程为： 粤+ v ( 店) ：0 研 ” 动量方程为： 1 6 ( 2 1 7 ) 浙汀大学硕f 学位论文第二章线件热声理论 p 粤：矿一v p + 比v 2 历 p 五2 班一 材 能量方程为： p c ，( a 优t + v v t ) 一( 百o p 拇跏) = 七v 2 丁 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 3 ) 通用热声学模型 将形如公式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 、( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 0 勺各物理量复数表达式代入连续性方 程( 2 1 7 ) 和动量方程( 2 1 9 ) ，并进行线性化后可以得到进一步简化： 连续性方程： f 明+ 华+ 成v v l = o 似 【2 z x 方向上的动量方程： 咖一一警州等+ 亿2 。， 根据方程( 2 2 0 ) 和( 2 2 1 ) ，并结合基本假设条件和状态方程，推导得到针对微 元管段出的两个核心表达式例： 亟：一i o p , , , au i d x 1 1 u 警= 一筹”c 川蒯a + 丽警u r o t t 根据能量方程( 2 1 9 ) 推导得到针对微元管段出的表达式例： ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 拿一拿迹：兰塑 亿2 4 ， 出蔷端h c 正+ 吭h 肌钆， 一 式中，p l 表示压力振幅，u 。表示速度振幅，彩为角频率，成、c p 、厂、k 、 厅分别为工质的平均密度、平均温度、定压比热容、比热比、热导率和普朗特数， 兀和以分别是界面粘性分布函数和热分布函数。a 为流道的流通面积，4 。材和 1 7 浙江大学硕十学位论文第_ 审线性热声理论 屯砌分别为构成流道的固体的横截面积和热导率，h 2 为总能流，f 为虚数符号， 上标表示取共轭复数。 从本质上讲，方程( 2 2 2 ) 、( 2 2 3 ) 、( 2 2 4 ) 分别为热声学形式的动量方程、连 续性方程和能量方程，它们是线性热声理论的三大关键表达式。由动量方程( 2 2 2 ) 可知：热声学压力梯度的来源是流体的流动u 连续方程( 2 2 3 ) 表明，u 的梯度 来源两部分：压力项a 和具有温度梯度的速度u 。首先考虑方程( 2 2 3 ) _ 右- 边的压 力项，如果正= o ，则气体与固体介质之间没有热交换，即密度振荡是绝热的。 在这种情况下，1 r p 。代表压缩性；当五= l 时，气体与固体之间有良好的热接 触，气体温度锁定为当地的固体温度，等温压缩率可表示为1 ；对于中等程 度的热交换，其有效的压缩率【1 + ( 厂一1 ) 无】y 具有中等的幅度和重要的相位。 对于方程( 2 2 3 ) 右边的速度项，如果不考虑粘性影响( 即无= o ) ：五= o 时，即在 气体和固体之间没有热交换，此时速度项为零，这表明气体的密度在沿x 方向运 动时不发生变化；如果工= l ，气体总是与当地的固体温度相同，因此气体微团 向高温端运动时，密度减小，速度增大。通常，在0 五 1 的情况下，气体沿温 度梯度方向的振动会引起复杂的密度振动。 将式2 2 2 和式2 2 3 合并消去u 得到一个关于a 的二阶微分方程，即著名的 r o t t 波动方程 【1 + c 7 叫六】目+ ! 争丢( 等鲁) - 等鲁毒冬鲁= 。c 2 苈， 2 2 流体网络理论6 0 1 流体网络理论是由流体力学和网络理论结合发展起来的一门应用科学。它将 流体的一系列性质与电力电子中的一些概念进行类比，把流体系统等效为一个电 器网络进行分析，充分利用已经成熟的、且容易定量化研究的电路理论去解决流 体传输和瞬变的问题，从而使得这类问题变得容易理解。 浙江大学硕十学位论文第二章线性热声理论 流体网络的基本参数 要用电器网络理论来模拟流体运动，必须首先把流体的一些特性- 9 电路里面 的一些概念进行等效。在流体中会表现出诸如：粘性、压缩性和惯性等特性，因 此，我们用电阻、电容、电感来等效这几个特性，分别称它们为：流阻、流容和 流感。 1 流