（化工过程机械专业论文）新型行波热声发动机的理论研究及研制.pdf

at h e s i ss u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g t h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o na n dd e v e l o p m e n to fn e w t r a v e l l i n g - - w a v et h e r m o a c o u s t i ce n g i n e m a j o r：c h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y c a n d i d a t e ：z o uw e n j i n g s u p e r v i s o r ：s h ua n q i n g a s s o c i a t ep r o f e s s o r w u h a n ，h u b e i ，4 3 0 0 7 4 ，p r c h i n a m a y 2 0 1 0 摘要 摘要 自上世纪8 0 年代以来，热声热机( 发动机和制冷机) 开始成为制冷 技术领域的一个研究热点。由于热声热机使用环境友好的工作流体和材 料，因此利用热声发动机驱动的热声制冷机，成为2 1 世纪的“绿色”制 冷机的重要选项之一。为了提高工作效率，热声发动机已从先前的驻波 热声发动机发展到了行波热声发动机。目前，热声发动机的研究重心己 转向高频大振幅的自激振荡。 在国家自然科学基金项目( n o ：5 0 6 7 6 0 6 8 ) 和湖北省教育厅重点项 目( d 2 0 0 6 1 5 0 0 2 ) 的资助下，本课题组搭建了一台外激励高频行波热声 发动机，其特点是具有双热激励与双外激励的灵活配置。实验装置设计 灵活，不仅可以进行行波热声实验， 实验装置具有尺寸小，起振温度低， 成了以下几方面的工作： 而且还可以进行驻波热声实验。该 压比大等优点。本文在此基础上完 1 自行设计了一种新型的热声用冷却器，并对冷却器的换热性能做 了理论计算。该种冷却器具有换热系数大，空隙率高等特点。 2 白行设计了一种新型的热声用陶瓷加热器，并对其加热性能做了理 论计算。该种加热器的优点在于制作简单，孔隙率高，成本低，加热功 率高，散热面积大，因而可以比较短，另外流道的比流通面积大，还可 以避免加热过程中径向导热导致的热损失。 3 通过对热声网络理论的分析，构建了本实验装置的网络模型图。 并对外激励驻波热声发动机的各部件阻抗进行了分析和计算。 4 在课题组人员的共同努力下，自行设计制造了一台新型外激励高 频行波热声发动机，该发动机长1 0 5 1m m ，高2 4 2 聊m ，设计的最大的输 入功率为6 0 0w ，并对外激励驻波热声发动机的起振和稳定进行了实验研 究。在外激励的驱动下，系统在4 8 1 时起振。关掉外激励后，系统稳定 的工作温度为4 5 6 。 武汉i ：程人学硕十学位论文 关键词：行波热声发动机网络模型冷却器加热器 a b s t r a c t a b s t r a c t s i n c et h e8 0 so fl a s tc e n t u r y , t h e r m o a c o u s t i ce n g i n e ( e n g i n e a n d r e f r i g e r a t o r ) h a db e c o m eah o tt o p i co fr e f r i g e r a t i o nt e c h n i c a lf i e l d b e c a u s e o fe n v i r o n m e n t a l l yw o r k i n gf l u i d sa n dm a t e r i a l sw e r eu s e db yt h e r m o a c o u s t i c t g i n e t h er e f r iw h i c hi sd r i v e nb vt h e r m o a c o u s t i c1：,medenginet h er e t h g e r a t o rw h l c hi sd r i v e nt n e r m o a c o u s t l ce n g i n eo e c o m e a ，d y o n eo ft h ei m p o r t a n t g r e e n r e f r i g e r a t o r si n2 1s t c e n t u r y t h e r m o a c o u s t i c e n g i n e h a sb e e nd e v e l o p m e n tf r o ms t a n d i n gw a v et h e r m o a c o u s t i c t o t r a v e l l i n gw a v et h e r m o a c o u s t i ce n g i n e i no r d e rt oi m p r o v ee f f i c i e n c y a t p r e s e n t ，r e s e a r c ho f t h e r m o a c o u s t i ce n g i n eh a ss h i f t e dt oh i g hf r e q u e n c ya n d o s c i l l a t i o no fl a r g ea m p l i t u d e an e wh i g hf r e q u e n c yt r a v e l l i n gw a v et h e r m o a c o u s t i ce n g i n e w i t h e x t e r n a le x c i t a t i o nw a sb u i l tb yo u rr e s e a r c hg r o u p ，w h i c hi s f u n d e db y n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( n o ：5 0 6 7 6 0 6 8 ) a n dh u b e ip r o v i n c i a l d e p a r t m e n to f e d u c a t i o nk e yp r o j e c t ( d 2 0 0 615 0 0 2 ) i t sc h a r a c t e r i s t i c sw e r e ap a i ro ft h e r m a le x c i t a t i o na n dd u a le x t e r n a le x c i t a t i o n i ti sn o to n l yf o r e x p e r i m e n to ft r a v e l l i n gw a v e t h e r m o a c o u s t i ce n g i n e ，b u ta l s of o re x p e r i m e n t o fs 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 e s oi th a ss o m ea d v a n t a g e s ，s u c ha s s m a l ls i z e ，l o w e ro n s e tr e s o n a n c et e m p e r a t u r e ，h i g h e rp r e s s u r er a d i oa n ds o o n o nt h i sb a s i s ，t h ef o l l o w i n gw o r k sw e r ed o n eb ya u t h o r 1 an e wc o o l e rw a sb u i l t ，a n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no fh e a tt r a n s f e rw a s d o n eb yt h ea u t h o r t h e r ea r es o m ec h a r a c t e r i s t i c sw i t hi tw h i c ha r eh i g h c o e f f i c i e n to fh e a tt r a n s f e r , h i g hp o r o s i t ya n ds oo n 2 an e wc o o l e rw a sd e s i g n e d ，a n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no f h e a tt r a n s f e r w a sd o n eb yt h ea u t h o r c o m p a r ew i t ho t h e rh e a t e r s ，t h e r e a r es o m e a d v a n t a g e st ot h i sc e r a m i cp a r ts u c ha se a s yt ob em a n u f a c t u r e d ，h i g hp o r o s i t y , l o wc o s t ，h i g hh e a t i n gc a p a c i t ya n db i g g e rr a d i a t i n gd r a w i n ga r e a s oi t s 武汉i ：程人学硕七学位论文 l e n g t hw o u l db ed e s i g n e ds h o r t e r t h ec i r c u l a t i o na r e ao ft h ef l o wp a s s a g ei s l a r g e rt h a no t h e r s s oi t c a na v o i dt h e r m a ll o s sc a u s e db yr a d i a lt h e r m a l c o n d u c t i o ni nt h eh e a t i n gp r o c e s s 3 t h e r m o a c o u s t i cn e t w o r km o d e lw a sb u i l tf o ran e wt r a v e l i n gw a v e t h e r m o a c o u s t i ce n g i n ew i t he x t e r n a le x c i t a t i o nb ya n a l y z i n go fa c t i v ea n d p a s s i v et h e r m o a c o u s t i cn e t w o r km o d e lf o rav a r i e t yo ft h et h e r m o a c o u s t i c c o m p o n e n t s t h ei m p e d a n c eo fe a c hp a r to fs t a n d i n gw a v et h e r m o a c o u s t i c e n g i n ew i t he x t e r n a le x c i t a t i o nw e r ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e d 4 an e wt r a v e l l 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 sb u i l tb yr e s e a r c h g r o u p ，w i t ht h el e n g t h10 5 1m m ，t h eh e i g h t2 4 2m ma n dt h em a x i m a li n p u t 6 0 0w t h ee x p e r i m e n to fs t a r t - o s c i l l a t i o na n ds t a b i l i z a t i o nw e r er e s e a r c h e d b yt h ea u t h o r w h e nt h et e m p e r a t u r ei s4 8 3 c ，t h es y s t e ms t a r t st ov i b r a t i o n w h i c hi sd r i v e nb yt h ee x t e r n a le x c i t a t i o n w h e nt h ee x t e r n a le x c i t a t i o ni st u r n o f f , t h es t a b l eo p e r a t i n gt e m p e r a t u r eo ft h es y s t e mi s4 5 6 。c k e y w o r d s ：t r a v e l l i n gw a v et h e r m o a c o u s t i ce n g i n e ；n e t w o r km o d e l ；c o o l e r ； h e a t e r 1 v 日录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第l 章绪论1 1 1 课题研究背景l 1 2 热声理论的发展概况2 1 3 热声发动机的发展概况3 1 3 1 驻波热声发动机的发展概况4 1 3 2 行波热声发动机的发展概况6 1 4 本文研究内容1o 第2 章新型行波热声发动机部件的设计1 1 2 1 前言1 1 2 2 整机系统设计分析j 1 1 2 3 热声回热器的设计1 1 2 4 新型热声用冷却器的设计1 3 2 4 1 可用于热声装置的换热器1 3 2 4 2 新型热声冷却器的设计计算1 7 2 5 新型热声用加热器的设计2 0 2 5 1 可用于热声装置的加热方式2 0 2 5 2 多孔陶瓷加热器的设计计算2 4 2 6 双激振源的设计2 7 2 6 1 动磁激振器2 7 2 6 2 喇叭。2 8 2 7 真空夹套波纹管和锥度管的选材及设计2 8 2 7 1 真空夹套波纹管2 8 v 武汉i ：程人学硕+ 学位论文 2 7 2 锥度管2 9 2 8 本章小结3 0 第3 章新型行波热声发动机的网络模型31 3 1 前言一31 3 2 热声器件的网络模型分析：31 3 2 1 热声器件的热动力学数学描述3 l 3 2 2 热声器件分布参数网络模型的建立3 5 3 2 3 等温管路模型3 6 3 3 整机网络模型的构建3 7 3 4 整机综合网络模型3 9 3 5 新型热声发动机部件的网络计算分析4 0 3 5 1 系统各部件阻抗的计算模型与方法4 0 3 5 2 系统各部件阻抗的数值计算和分析4 3 3 6 j 、结4 6 第4 章新型行波热声发动机的实验系统4 7 4 1 前言4 7 4 2 热声实验装置4 8 4 2 1 外激励4 8 4 2 2 行波环路4 8 4 2 3 锥度管5 0 4 3 辅助系统5 0 4 3 1 密封51 4 3 2 真空系统5 2 4 3 3 循环水系统5 2 4 3 4 加热器保护系统5 3 4 3 5 外激励信号提供系统5 3 4 4 实验数据测量及采集系统5 3 目录 4 4 1 压力测量系统5 3 4 4 2 温度采量系统5 5 4 4 3 加热功率测量系统5 7 4 5 新型行波热声发动机的起振和稳定实验5 7 4 5 1 实验步骤5 7 4 5 2 实验系统起振与稳定5 9 4 6 本章小结6 0 第5 章全文工作总结及展望6 3 参考文献6 5 附录：攻读硕士期间发表的论文、专利与科研工作。7 5 致谢7 7 v i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 随着新兴的电子光电技术、高温超导技术、航天技术、红外技术、 原子能技术以及与低温生物、低温医疗技术相关领域等现代科学技术的 飞速发展，人们对制冷与低温技术提出了更高的标准和更多新的要求。 几十年来，人们在开发符合要求的制冷系统、改善制冷机的关键部件以 及开发新型低温制冷机方面，做出了很大的努力。现在，g m 循环制冷 机、s t i f l i n g 循环制冷机、脉冲管制冷机在空间技术和现代工业中得到广 泛应用，已成为目前的研究重点。但是，上述制冷机仍存在许多运动部 件，限制了其可靠性、长寿命和高效率。 在这种情况下，人们提出用热声发动机来取代常规的机械式压缩机 的想法，即利用热声发动机的热声效应将热能转化为声能，再将产生的 声能来驱动热声制冷机。同传统的机械式压缩机相比，热声发动机具有 很多突出的优点： ( 1 ) 系统结构简单、可靠性高、使用寿命长，系统除振荡气体外， 没有任何运动部件。 ( 2 ) 热声发动机主要采用氦气、氮气或与其它惰性气体相混合的气 体作为工质，这符合制冷技术中关于禁止用c f c s 和h c f c s 的环保要 求。 ( 3 ) 系统可以有效利用太阳能、燃气能、废热能等低品位能源，符 合提高一次能源的综合利用效率的环保趋势。 热声发动机按工作声场特性可以分为两类：一类是驻波热声发动机； 一类是行波热声发动机。对于行波型热声发动机，它利用的是行波声场， 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 水平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 武汉i ：程人学硕+ j ；乏位论文 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，从而有着光明的应用前景。正是在这样的背景下本 文进行了新型行波热声发动机的研制和相关实验研究工作。 1 2 热声理论的发展概况 ， 一国外研究概况 1 8 6 8 年，热声理论开始于k i r e h h o f f 和f e l d m a n 对声在管中由固体管 壁和维持声波的气体之间振荡的热传导引起的衰减量计算的研究【1 0 】。 1 8 7 8 年，r a y l e i g h 对热声现象给出了定性的解释【4 】，此解释称作 r a y l e i g h 准则。直到现在，r a y l e i g h 准则还公认为是理解热声振荡的一个 合理的解释。 1 9 4 9 年，t a c o n i s t 5 1 在研究h e 3 和h e 的时候，发现了著名的t a c o n i s 振荡。做出了与r a y l e i g h 相似的解释。这一发现对于正确认识和防止低 温系统中的振荡问题具有重要的意义。 1 9 6 9 1 9 8 0 年间，瑞士苏黎世联邦技术研究所的r o t t l 】在研究 t a c o n i s 振荡的稳定性问题的过程中，建立了理想气体的驻波声场，从理 论的基础上对热声效应中存在的热功的相互转化现象做了描述，其研究 成果为热声机械的理论分析提供了坚实的基础。该理论后来被y a z a k i t l 2 , 1 3 等人的很多实验所验证。同时期，m e r k l i 和t h o m a n n t l 4 , 1 5 对谐振管壁面 温度相同的时候，其驻波声场与外热源间存在的时均横向吸热与放热的 热声效应做了研究。 1 9 8 8 年，美国l o sa l a m o s 国家实验室s w i f t 等人在热声领域进行了 大量的研究，并在19 8 8 年以“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【1 6 】，提出了基于r o t t 线性模型的短板叠边界层 近似模型，该模型对热声系统的理论计算提供了坚实的基础，标志着现 代热声学进入一个新的研究阶段。根据其研究成果，w a r d 和s w i f t 等人 编制了一套小振幅线性热声计算程序d e l t a e t l 7 , 1 8 。它涵盖了各种常规几 第1 章绪论 何结构的边界条件，可以广泛应用于各类热声系统的模拟计算，极大的 推动了热声技术的实用化研究进展。 1 9 9 0 年，日本筑波大学的t o m i n a g a 等人从理论和数值模拟出发，对 热声理论作了热力学分析，并得出了各种不可逆因素的影响情况【】9 1 ，从 而提高了热声系统的效率。此外，他们还将热声理论应用于脉管制冷机 的机理分析中，对回热器进行了相位分析。这对相移机理的理解提供了 很好的帮助。 二国内研究概况 我国的热声研究起步于8 0 年代末，中科院低温中心肖家华最先开展 了热声理论研究【2 0 - 2 4 。他根据固体外壁面与外热源不同的热接触情况， 提出可将热声效应划分为三种情况，即等温热声效应，绝热热声效应和 一般情形的热声效应，并分别建立了行波声场等温热声效应和绝热热声 效应的波动方程。另外，还研究了回热式制冷机热声理论的定性框架。 华中科技大学的郭方中 2 5 - 2 9 1 等讨论了热声转换的本质，首次提出热 声网络模型，引出了回热器填料的阻、感、容、源等概念，建立了回热 器的有源网络模型。郭方中等对回热器中流体的流动特性，该特性对其 性能的影响以及网络模型进行了一系列的研究 3 0 - 4 5 】。该模型对热声热机 系统各部件可进行有序联立，是热声发动机工程应用的强有力的工具。 南京大学韩飞等对r i j k e 管的热声不稳定性、非线性效应和热声不稳 定性的有源控制问题进行了相关研究 4 6 - 4 8 】。 中国科学院罗二仓等【4 9 】对热声理论和机理进行了探讨，对回热器的 非线性热声理论模型作了重点研究。 武汉工程大学吴锋 5 0 4 5 1 教授用有限时间热力学、量子理论等方法研 究了热声自激振荡的热力学机理以及热声装置的设计优化。 1 3 热声发动机的发展概况 热声发动机是利用热声效应将热能转换为声能的装置。按照声场产 武汉ji ：程大学硕： ：学位论文 生的特性可以分为驻波热声发动机和行波热声发动机。 1 3 1 驻波热声发动机的发展概况 1 国外研究概况 绝 图1 1s w i r 的驻波热声发动机 1 9 9 2 年，美国s w i r l 研究小组研制了一台直径为1 2 8 m m 、长4 3 2 0 m m 的驻波热声发动机( 如图1 1 ) 【5 引，该驻波热声发动机以氦气为工作介质， 在平均压力为1 3 8 m p a ，加入热量为7 0 0 0 w 时，回热器两端产生了3 5 0 的温度梯度和6 3 0 w 的声功率，其热效率为9 。 同时期，日本松原阳一、朱绍伟等人研制的驻波热声发动机在输入 功率为8 3 3w 时输出了2 6 w 的声功率 5 7 , 5 8 。并对起振温度、声波特性以及 热声振荡等影响因素进行了研究，并就系统结构和回热器丝网尺寸对热 声效应以及热损失特性做了重点分析。 趋萄国黼 图1 2t e k t r o n i x 公司研制的驻波热声发动机 1 9 9 5 年，s w i f t 与t e k t r o n i x 展开合作，共同设计了一台对称型的驻 波热声发动机 5 9 , 6 0 1 ( 如图1 2 ) 。该装置以氦气为工作介质，其工作频率达 第1 章绪论 到了3 5 0 h z ，声能输出也可以达到1 0 0 0 w 以上。在一定的条件下，其热 效率最高可以到1 8 ，此时声功输出为5 0 0 w 。同时他们还提出，如果在 热声发动机中采用像液态钠、液态钾等这些密度大、普朗特数小的液态 工质，会大大提高其效率和功率6 1 1 ( 如图1 3 ) 。 啪 图1 3s w i f t 的液态钠发动机 图1 4c h c n 和g a r r e t t 的太阳能热声发动机 1 9 9 8 年，美国c h e n 和g a r r e t t 共同设计出了第一台以太阳能作为驱 动源的驻波热声发动机1 6 2 6 3 1 ( 如图1 4 所示) 。该装置稳定工作时，可以测 得频率为4 2 0 h z ，强度为1 2 0 d b 的声波。虽然它只是一台小型的演示性 实验装置，但是却证明了热声发动机可以利用太阳能作为驱动源的观点。 从而也体现了热声发动机的无污染、节能等优点。 2 国内研究概况 1 9 9 6 年，华中科技大学郭方中畔】等人搭建了一台驻波热声发动机，该 装置采用氮气作工质，在4 3 0 k 的温度梯度下获得了振荡压力幅值为平均 武汉i ：程人学硕士学位论文。 压力1 5 的稳定压力波。 1 9 9 6 年，浙江大学陈国邦 6 5 - 7 2 1 等人也搭建了一台采用丝网回热器的 半波长的驻波热声发动机，该装置在氮气和氦气为工作介质的情况下， 分别获得了1 1 2 和1 0 6 的最大压比。 ， 2 0 0 3 2 0 0 4 年，中国科学院戴巍等人搭建了一台驻波热声发动机【7 引。 在热端温度为6 0 0 时，当以氮气和氦气为工质时，其压比分别可以达到 1 2 2 和1 1 5 以上。最近他们又建立了一台频率为3 0 0 h z 的高频驻波发动 机，当以氦气为工质时，其压比可以达到1 2 以上【7 4 】。 1 3 2 行波热声发动机的发展概况 一大型行波热声发动机研究概况 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 提出了行波热机的概念， 它是利用可逆热声效应工作的热声发动机，可望获得更高的效率。但是 由于采用了不合适的声学阻抗元件，c e p e r l e y 在实验中并没有得到声功放 大的效果1 7 引。 1 9 9 8 年，日本y a z a k i 等人设计了一台环形回路的行波热声发动机1 7 6 j ( 如图1 5 所示) ，在该实验设备上得到了热驱动的自维持振荡，但是效 率很低。主要原因还是回热器所处位置的声场声阻抗太小，其次是沿环 路声直流的影响。系统以空气为工质，在一个大气压下，其压比仅为1 0 2 左右。 图1 5y a z a k i 的行波热声发动机 第1 章绪论 1 9 9 9 年，s w i f t 和b a c k h a u s 共l j 设计制作了一台新型行波热声发动 机，在该发动机环形回路上加入了驻波谐振管，并将其称作热声s t i r l i n g 发动机【7 7 ，7 8 1 ，如图1 6 所示。他们通过合理设计环形回路的结构尺寸和合 理布置回热器的位置，很好的提高了回热器处的声阻抗，抑制了环形回 路的g e d e o n 流和r a y l e i g h 流 7 9 , 8 0 。因此，该装置取得非常大的成功。其 热功转换效率达到了3 0 ，相对卡诺效率为4 2 ，这比先前任何热声发 动机效率都要高出5 0 以上，可以同传统内燃机和活塞式斯特林发动机 相媲美。这项开创性的研究成果因此荣获了1 9 9 9 年的“r & d 1 0 0 大奖。 图1 6s w i f t 的热声斯特林发动机 2 0 0 3 年，浙江大学的邱利民和孙大明等【8 1 1 自行研制了一台大型行波 斯特林热声发动机，该发动机长4 5 m ，高1 2 5 肌。当系统平均压力位2 m p a 时，采用氮气为工质获得了1 2 l 的压比，采用氦气为工质获得了1 1 9 的 压比【8 2 8 6 1 。 2 0 0 4 年，中国科学院罗二仓等设计并制造了一台采用锥形管的行波 型热声发动机。当以氦气工质时，在1 5 2 m p a 的充气压力下，谐振频率 为9 l 勉；当回热器热端温度达到6 7 0 时，系统获得了1 3 0 的压比，这 是目前国内外所报道的最大压比【8 7 1 。 二小型行波热声发动机研究概况 虽然大型热声发动机取得了很大的进步，但频率超过1 0 0 h z 的小型 行波热声发动机的发展却没有大型热声发动机那么顺利。 lo o p r e s o n a t o r 图1 7b i w a 的行波热声发动机 2 0 0 1 年，日本筑波大学b i w a 等人利用透明的有机玻璃管，建立了一 台小型斯特林热声发动机【8 8 - 9 0 ( 如图1 7 所示) ，驻波谐振管的长度为 1 0 4 m ，在该系统的实验中，波动压力的最大幅值仅为3k p a ，此振幅难 以胜任作为制冷机驱动的功用。 8 图1 8u e d a 的热声斯特林热机 2 0 0 2 年，u e d a 等人研制了一台新的小型斯特林热声发动机 9 1 - 9 3 】。该 系统虽然在前一系统中做了一些优化。但是获得的谐振频率为1 1 8 勉，振 荡压力振幅也仅为7 7 k p a 。 2 0 0 1 年，中国科学院理化技术研究所的李青研究组建立了一台小型 高频的斯特林热声发动机，在高频情况下，高频模态的出现使该发动机 所获得最大压力波动波峰峰值仅为2 9 k p a 9 4 , 9 5 。 2 0 0 6 年，李青研究组通对谐振管的管型优化和回热器的选频特性进 行研究后，成功研制了一台新的小型高频行波热声发动机，其环形圈的 第1 章绪论。 长0 8 4 m ，谐振管和谐振腔的总长为1 6 m 。以氦气为工质，系统起振后 谐振频率约为1 7 0 h z ，在加热功率为1 0 0 0 w 时，实验获得了3 0 0 k p a 的 压力波动峰值1 9 6 , 9 7 1 ，突破了1 0 0 h z 高频斯特林发动机压力幅值偏小的瓶 颈，并用于了制冷机的驱动。 图1 9 周刚的行波热声发动机 2 0 0 6 年，周刚在李青研究员的指导下搭建了一台更小的行波热声发 动机9 8 。1 0 1 1 ( 如图1 9 所示) ，谐振管和谐振腔的总长度为0 6 5 肌，谐振管长 度为0 3 5 研，通过对谐振管径向尺寸的优化以及对回热器中间相位和阻抗 的调节，采用氦气作为工质，系统以单一频率起振，随后稳定工作在2 8 2 h z 左右，在平均压力为2 5 m p a ，加热功率为7 0 0 w 时，获得了2 7 0 k p a 的振 动压力波动峰峰值。 图1 1 0 新型外激励行波热声发动机 基于对以上问题的分析，本课题搭建了一台新型外激励双驱动行波 热声发动机如图1 1 0 所示，该发动机结构紧凑、设计灵活，并较好解决 武汉i ：科人学硕十学位论文 。 了热应力、起振温度高等问题，其特点是具有双热激励与双外激励的灵 活配置，设计的最大的输入功率为6 0 0 w 。该实验装置具有尺寸小，起振 温度低，压比大的特点，这对低品位能源的利用具有重要意义。另外， 通过调节外激励的驱动频率，使整个系统具有一个较优的选频特性，以 期有效地抑制高频模态，消除频率升高所带来的负面影响，并在一定程 度上降低频率，大幅度提高系统的性能。 1 ，4 本文研究内容 目前，热声热机研究重心已转向高频大振幅的自激振荡，需要进一 步发展现有热声理论，并用它来解决热声机械在应用发展过程中遇到的 各种问题。大振幅造成的非线性声波和高频振荡在多孔填料中的弛豫传 输将使高频回热器具有复杂的选频特性，这些都将使高频热声热机具有 十分敏感的频率特性。 正是在这样的背景下，本文开展了外激励行波热声发动机的研制方 面的工作，它是本课题组所做的国家自然科学基金项目的一个部分。以 下是本文研究的几项内容。 1 设计制造了一台新型外激励行波热声发动机，该发动机长 1 0 5 1m m ，高2 4 2 朋聊，设计的最大的输入功率为6 0 0 w 。其特点是具有双 热激励与双外激励的灵活配置，不仅可以进行行波热声实验，而且还可 以进行驻波热声实验。 2 通过流体网络理论来分析外激励行波热声发动机各部件的集总参 数网络模型，然后将各部件的网络模型整合，从而得到了整机网络模型。 3 根据相关的设计要求，通过对已有实验装置的结构进行分析和研 究来确定本实验装置的主要部件所采用的结构，并对选材及设计做了相 关的分析和计算。 4 通过实验，对自行设计的单激励驱动的驻波热声发动机的起振温 度和频率做了相关的分析和研究。 第2 章新型行波热卢发动机各部件胸结构设计 2 1 前言 第2 章新型行波热声发动机部件的设计 热声热机( 包括热声制冷机) 主要由冷端换热器、热端换热器( 加 热器) 、回热器和谐振管组成。本课题组设计了一台新型外激励行波热声 发动机。 2 2 整机系统设计分析 8 8 图2 1 新型外激励行波热声发动机不惫图 1 夕 、激励2 测压连接管3 主冷却器4 回热器5 加热器 6 真空央套波纹管7 届u 冷却器8 变径锥度管9 连接回路 本实验样机为1 4 波长的行波热声发动机，其示意图如图2 1 所示。 其设计温度为3 4 0 k ，设计压力为lm p a ，设计频率为4 0 0 h z ，加热功率 为6 0 0 w ，工作介质选用氦气。在设计的实验装置中我们采用了两套声波 发生装置。根据三= 允：三并考虑其加工工艺等问题，其环形圈设计长度 q q 1 为1 12 8 # r i m 。 2 3 热声回热器的设计 热声回热器是热声热机中的核心部件，是由多孔填料构成的，放在 武汉l ：程人学硕十学位论文 两个换热器的中间，决定了热声系统中能量相互转换的效率。因此，对 热声回热器进行结构优化以提高整个系统的性能显得尤为重要。热声回 热器常用的填料有板叠、圆孔、丝网等。在这些填料中，板叠回热器性 能较优，结构也最简单，易于加工，得到了广泛的应用。在高频情况下， 由于热渗透深度和粘性渗透深度都很小，要加工具有规则流道形状的回 热器较困难，因此我们往往也采用不锈钢丝网作为回热器的填料。 回热器长度遵循受2 l | 丘 五的限制，板叠间隙y o 或水力半径r h 受 i ，甜l q o y o 4 瓯或o r h 瓯限制，板叠固体材料厚度t 受o t 1 0 0 0 0 ，所以气体在冷却器内处于紊流流动。考虑到冷却器 轴向长度，6 0 d s ，入口效应较强，同时进口处没有平滑过渡，所以采用 下式来计算努赛尔数： n u = 0 0 2 3 r e 0 8 p r ；( ) n 1 4 1 + ( 研 式中，为气体处于平均温度时的动力粘度；以为气体处于壁面温 度时的动力粘度。即：r = 1 9 7 9 x 1 0 p a j ，t 。= 1 8 1 5 6 x 1 0 弓p a s 代入相关数据计算得： n u = 5 6 1 7 对流换热系数： 1 9 武汉i ：程人学硕+ 学位论文 口：n ux k g ：5 6 17 x 2 8 7 7 6 x _ 1 0 - 2 ：6 0 5 8 7 w 聊2 k ，y = 一= 一= ，竹 。ds 2 6 6 7 8 1 0 j 翅片效率计算： 肌：旦：上墼：1 0 5 2 9 一、丽2 而丽2 rl：-：or t h ( m h ) t h ( 1 0 5 2 9 x 1 1 2 x 1 0 - 3 ) 7 0 2 一。一 。 m h1 0 5 2 9 l1 2 1 0 由d e l t a e 模拟计算有，当加热功率为6 0 0w 时，冷却器端气体需冷 却3 2 3 7w 。 根据气体与翘片间换热平衡方程有： a a t u r l i 口( 五一五) u 巩 ：塑：z ：o 0 3 4 6 t q l 掰m = 一= i ， m m 6 0 5 8 7 ( 3 4 0 3 0 0 ) x0 5 5 0 2 8x0 7 0 2 由于现有的热声换热器设计理论的不完善，很多因素都没有充分考 虑到。根据以上分析我们所设定的冷却器长度是符合要求的。在冷却器 的实际加工过程中制作了三种长度的换热器，分别为2 5 m m ，3 0 m m ， 4 0 m m 。 2 5 新型热声用加热器的设计 热声发动机利用热声效应把热能转换为声功，输入的热量是由加热 器来提供的，所以加热器是热声发动机的重要元件之一，是“能量入口 。 随着热声研究的发展，热声热机正朝着大振幅、高频率方向发展，如何 提高加热器的加热功率己成为热声发动机研究急需解决的问题之一。 2 5 1 可用于热声装置的加热方式 1 气体燃料燃烧加热 8 3 , 1 0 2 , 1 0 7 】 第2 章新犁行波热声发动机各部件的结构设计 t 簟 世 r 图2 1 2 扩散燃烧器 气体燃料的燃烧一般是将燃料通过燃烧器( 或称喷射器、烧嘴等) 喷向 大气中进行。此种加热方式所用的气体燃料一般都是理想的燃料气体， 如天然气，液化石油气等。因此它的燃烧稳定，速度也易控制，图2 1 2 是扩散燃烧器。美国l o sa l a m o s 国家实验室设计的一套应用于天然气液化 的热声发动机装置中就采用了此种加热方式，他们通过燃烧其中的3 0 的天然气来液化剩下的7 0 天然气，在实际的使用中取得了良好的效果。 由于此种加热方式的设备庞大，其结构紧凑式的加热装置有待进一步开 上【 及o 2 电热管加热 管状电加热器是利用通电电阻产生的热量进行加热。通过在金属管 内布置加热用电阻丝，在空隙部分填入具有一定导热性和良好绝缘性的 材料而制作成形。目前，管状电加热器的产品已经系列化，故应用很广 泛。在热声发动机研究的实验中很多都采用这类加热方式。其优点在于 成本低、加热量易于控制等，但也存在很多缺点。第一，因为结构的原 因，不易得到高的加热温度和加热功率；第二，它对加热的环境要求较 高；第三，在高温下，电热管与换热器焊接处容易脱焊。浙江大学孙大 明等人 7 7 , 8 0 研制的大型热声发动机所采用的加热器就是由电热管制作而 成。但是在铜与不锈钢套管的银焊接不能耐过高的温度，很容易造成装 置气体的泄漏。 武汉i ：样人学硕卜学位论文 3 电加热带加热 s w i f t 在热声机械的研究中，就采用了镍铬带加热来驱动行波驻波混 合型热声发动机。他们所设计的热声发动机的效率在此种加热器的提供 的热源下达到了3 0 t 7 7 1 。其制作过程是先将镍铬带缠绕在锯齿形三角架 上，再缠好镍铬带的三角架放在一个矾土支持的支架上，其工作介质与 灼热的加热带表面直接接触并加热。由于加热功率有限，此种加热方式 仅适用于实验室的热声实验。 4 太阳能力口热 太阳能是取之不尽用之不竭的清洁能源。利用太阳i i , d i 热有许多优 点：太阳能既是一次能源，又是可再生能源；它资源丰富，可免费使用