（制冷及低温工程专业论文）热声斯特林发动机起消振特性实验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 热声斯特林发动机起消振特性实验研究 毛长松 ( 浙江大学制冷与低温研究所，杭州，3 1 0 0 2 7 ) 摘要 热声热机由于具有完全无运动部件、可实现长寿命运转、可利用低品位能源以及对 环境友好等优点，越来越受到人们的重视。在模拟计算的基础上，本课题组研制了一台 热声斯特林型发动机。鉴于热声起振和消振过程对于低品位热能的利用来说非常重要， 本文着重就起振和消振过程中的温度和压力特性等开展了以下几方面的工作： 1 在前人部分搭建工作的基础上，完成和改进实验台的建设工作，并实现了实验台的 成功运转。进而，对所搭建的热声斯特林型发动机的基本性能进行初步实验研究。 具体研究内容将主要包括发动机的压比特性、起振和消振特性和频率特性等，便于 掌握该发动机的基本性能，为明确下一步研究工作的方向和重点打下基础； 2 对热声系统起振和消振行为和过程进行深入细致的研究，在分析热声滞后回路的影 响因素和滞后回路的形成过程的基础上，着重考察了加热功率和充气压力对热声起 振和消振特性的影响，指出了热声起振和消振过程中的发生滞后回路的条件，为理 解热声系统的起振和消振行为提供了有益的参考； 3 考察了结构参数对热声系统起振和消振特性的影响，并通过改变该热声发动机的谐 振管长度和膜片的安装位置等结构参数来研究了热声系统的起振和消振特性。还研 究了热声环路中弹性膜的安装位置对热声系统性能的影响，试验结果表明，在某些 条件下，膜片位置对系统压比性能的提高是有益处的。 关键字：热声发动机，起振，消振，弹性膜片 浙江大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no n o n s e ta n d d a m p i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft 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 m a o c h a n g s o n g 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 r s i t y , h a n g z h o u31 0 0 2 7 p r c h i n a a b s t r a c t t h e r m o a c o u s t i ce n g i n ea t t r a c t si n c r e a s i n ga t t e n t i o nf r o ma c a d e m i ca n di n d u s t r i a lc i r c l e s ， b e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e ss u c ha sw i t h o u tm o v i n gp a r t s ，u s i n gt h e r m a le n e l g ya sd r i v i n g s o u r c ca n de n v i r o n m e n t a lb e n i g n i t y at h e r m o a c o u s t i cs t i f l i n ge n g i n eh a sb e e ns e tu pb yt h i s g r o u pf o re x p e r i m e n t s c o n s i d e r i n gt h ei m p o r t a n c eo f t h eo n s e ta n dd a m p i n gb e h a v i o rf o rt h e a p p l i c a t i o no fl o w - g r a d ee n e r g y , t h ee m p h a s i so ft h i st h e s i sw o r ka r ef o c u s e do nt h eo n s e t a n dd a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h et h e r m o a c o u s t i cs y s t e m t h ep r e s e n tw o r km a i n l yi n c l u d e s ： 1 c o m p l e t e dt h ec o n s t r u c t i o no ft h ee x p e r i m e n t a lt h e r m o a c o u s t i es t i f l i n ge n g i n e ，m a i n l y i n c l u d i n gt h ei m p r o v e m e n to f s o m ec o m p o n e n t sa n dt h es e t u po f d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m t h e ns o m ep r e l i m i n a r ys t u d i e so nt h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n th a v eb e e nc a r r i e do u tf o r o v e r a l lp e r f o r m a n c ea sab a s eo ff u r t h e rs t u d y 2 s y s t e m a t i ce x p e r i m e n t sh a v eb e e nc o n d u c t e de s p e c i a l l yo nt h eo n s e ta n dd a i i l p i n g b e h a v i o r si nd e p t ha n dd e t a i l ah y s t e r e t i cl o o p ，w h i c hw a sf i r s a yf o u n di nas t a n d i n g w a v et h e r m o a c o u s t i cp r i m em o v e r , i sa l s of o u n di nt h i sp r e s e n tt h e r m o a c o u s t i cs t i f l i n g s y s t e m t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h el o o pa g oa n a l y z e dt ou n d e r s t a n di t so e c u l t e n c c m e c h a n i s ma n da l s ot h et h e r m o a c o u s t i co s c i l l a t i o n 3 t h ei n f l u e n c eo fs t r u c t u r a lf a c t o r s ，i n c l u d i n gr e s o n a n c et u b el e n g t ha n dm e m b r a n e l o c a t i o n , w a sa l s oo b s e r v e dt od i s c u s st h ep o s s i b i l i t yo f i m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo f t h e t h e r m o a e o n s t i ce n g i n eb yo p t i m i z i n gt h e s ef a c t o r s k e y w o r d s ：t h e r m o a c o u s f i ce n g i n e , o n s e ta n dd a m p i n g , h y s t e r e t i cl o o p ，m e m b r a n e 学号2 0 5 0 8 2 4 5 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，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机 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。 学位论文作者签名：j 邑杉事三签字目期：册6 铂，钼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 逝望盘堂有关保留、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。本人授权逝鎏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：笼豚缸 签字日期：巧净臼，。目 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 新签名：省潍乡夕 签字目期：上年。自闰签字目期：驯年。臼闰 浙江大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论弟一早珀下匕 随着现代工业的发展，人类社会对能源的消耗量和需求量越来越大，各国对能源的 争夺也越来越激烈。当前我国处在一个高速发展的历史时期，能源形势也十分严峻。在 民用领域，夏季电制冷负荷占总耗电量的很大一部分，造成季节性用电紧张，所以制冷 系统和应用的研究工作就成了迫切需要进行的工作【1 】。基于热声效应的可利用低品位热 能的制冷空调新方法，可望为缓解电力供求矛盾和能源的综合利用问题提供可行方案。 简单地说，热声效应是一种热能和声能相互转换的现象【2 】。从声学角度来说，它是 由于处于声场中的固体介质与振荡流体之间的相互作用，使得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，并在这个区域内产生或者吸收声功的现象f 孔。按 能量转换方向的不同，热声机械可以分为热声发动机和热声制冷机。前者是用热来产生 声，即热驱动的声振荡；后者是用声来驱动热，即声驱动的热量传输。按照其工作声场 的不同，热声热机可分为驻波热机和行波热机两类，前者声场是由入射波和反射波叠加 而形成驻波，其压力相位和速度相位相差9 0 度；后者是由一个闭合的行波导管、回热 器和换热器组成，其声场是行波，声波的压力相位和速度相位同相。一般情况下，行波 型热声机的效率要高于驻波型热声机的效率，因为驻波型热声机的运行是基于内部的不 可逆性的热力学循环，而行波型热声机的运行类似于斯特林热力学循环。因此，行波型 熟声机更加受到人们的关注。 热声热机作为一种采用热能驱动的热机，可以广泛地利用太阳能、废热及燃气等低 品位热能作为热源f 】，为其广泛应用提供了更大的灵活性。因此，在输电困难但能提 供热能的地方( 如近海平台或荒漠中开采石油和天然气) 有着重要的应用前景；并且用低 品位的热能还有利于提高系统的热力学效率。尤其是它可以利用废热等低品位热能，不 但可以回收大量的废能，而且可以成为一种名副其实的节能热机。一般热声发动机的起 振温度在2 0 0 1 2 - - 3 0 0 1 2 左右。近年来，这一起振温度不断降低，目前在小型乃至微型 热声驱动上已有低于1 0 0 。c 的报道【7 1 。可以说，这些研究结果为降低热声热机的起振温 度提供了重要的参考。如果能在大型的热声发动机中实现类似这么低的起振温度，那么 就有可能大规模地利用废热水来为热声热机提供动力，从而为其更广泛的实际应用提供 浙江大学硕士学位论文 有更宽广的空间。 同时，近几十年来，现代科学迅速发展，高新技术层出不穷，新的领域不断出现， 低温技术的应用领域不断扩大，这客观上对低温制冷机的可靠性提出了更高的要求【8 1 。 如在航空航天领域，许多低温制冷机都要求连续工作数年甚至更长时间而不需更换或维 修，这就要求低温制冷机必须能够在较为恶劣和苛刻的环境条件下连续可靠地工作数 年。普通的制冷机由于存在机械运动部件，在一定程度上已经成为其长期可靠运转的重 要限制因素。虽然脉管制冷机消除了低温端的运动部件，但在其室温端仍存在运动部件， 在一定程度上也限制了这种制冷系统的可靠性。作为一种全新的技术，热声技术完全消 除了机械运动部件，从根本消除了常规机械制冷机存在的磨损与振动，从而使其可靠性 大为增加。此外，用热声发动机来驱动脉管制冷机还可以应用于空气分离、天然气液化 等方面。1 9 9 8 年，美国c r y e n e o 公司和洛斯一阿拉莫斯国家实验室及美国国家标准技 术研究院联合研制成了一台热声驱动的脉管制冷机样机【9 1 ，该样机通过燃烧6 0 的天然 气来液化其余的4 0 的天然气，标志着热声技术的实用化进程进入了一个新的阶段。下 文还将对这一样机做较为详细的介绍。 图1 1 热声系统的投资和效率曲线 瘫 遥 镗 赞 掰 饺 但热机的应用也并不完全取决于它的效率，而是取决于效率、投资费用、维护费用 等因素的综合效果，文献 1 0 】给出了热声热机和蒸汽压缩机、斯特林热机的初期投资和 效率的对比，如图1 1 所示。文章指出，蒸汽压缩制冷机由于投资费用和维护费用要比 斯特林低得多而在实际中得到广泛应用。由于热声热机的效率与费用比的曲线比其它热 机系统更加靠左，即在同样效率的情况下，其费用还要低，从商业应用的角度来说，其 应用前景会更加广泛。 2 浙江大学硕士学位论文 综上所述，热声热机至少存在以下几个优点： 1 热声热机可以采用热能驱动，充分利用一些低品位的热能作为动力源，不但可 以节约和回收大量废能，成为一种全新的节能机械，而且为那些缺少电能的地区和场合 提供一种可能的动力方案。 2 热声热机依靠热能来产生声能，依靠气体工质的振动来产生压力波，从根本上 消除了常规机械存在的机械振动和磨损，可以实现完全无运动部件的制冷系统，从而为 低温制冷机的长期可靠运转提供了可能。 3 热声热机采用对环境友好的无污染的流体作为工质，既不会破坏大气层，也几 乎不会引起温室效应。和传统的以氟利昂为工质的蒸汽压缩式制冷方式相比，室温温区 制冷的热声制冷机为家用及工业用制冷系统提供了一种全新的制冷方式，有望成为一种 潜在的替代方案。 4 热声热机的初期投资费用较低。 1 9 9 9 年，美国l o sa l a m o s 国家实验室的b a c k h a u s 和s w i f t 报道了他们精心设计的 行波热声发动机。据报道，这一斯特林热声热机的热效率高达3 0 ，已经完全可以和普 通内燃机的热效率( 2 5 - - 4 0 ) 相媲美! 这一结果大大地鼓舞了人心，提高人们对热 声热机地热情，有力地推进了热声学和热声热机的研究工作。 然而，热声热机虽然具有很多独特的优点，但是它却有一个致命的缺点，就是效率 较低，技术不完善。如一般商用制冷机的效率是基于卡诺循环的理论效率的o 3 3 一o 5 ， 而热声制冷机的效率却只有卡诺循环效率的o 1 一o 2 1 】，两者之间还有不小的差距。热 声理论方面，虽然存在诸如线性热声理论、非线性热声理论、熟声网络理论等多种用来 解释热声现象的理论，但每一种理论都或多或少地存在缺陷，至今尚没有任何一种理论 能够完全令人满意地解释热声现象。 综上所述，热声热机研究虽然已经有许多实质性进展，包括已经研制出一些热声压 缩机和热声制冷机的样机，但距离大规模实用阶段尚有较大距离，多数研究尚处在实验 室阶段。热点主要集中在：1 热机结构参数的研究，包括谐振管长度和形状的影响： 2 制冷工质的影响；3 回热器的研究；4 运行参数的研究，如充气压力、加热温度和 功率等；5 工程应用领域的开拓等。 由此可见，要建造可靠高效的热声机械还有很长的路要走。 浙江大学硕士学位论文 1 2 热声理论简介 现代热声研究虽然只有几十年的历程，但热声理论的发展速度也十分迅速。由于热 声学是一门交叉学科，涉及传热学、热力学、流体力学和声学等多门学科，因此热声理 论也有多种形式。当前，已提出多种理论框架用来解释热声现象，常用的有线性热声理 论和非线性热声理论，除此之外，还有热声网络理论及交变流动理论掣1 2 】。 1 线性热声理论1 1 哪 ! 8 7 8 年，l d r dr a y l e i g h 第一次在理论上对热声振荡现象进行了探讨，给出了定性 的解释。他指出，只要在参与热过程的工质运动与热交换之间具有合适的相位角，就可 以维持一种振荡。若在其最稠密的时候吸热，而在其最稀疏的时候放热，则声振动就会 加强，声功就会增加。反之，声功就会减少。这即为r a y l e i g h 准则。到目前为止，r a y l e i g h 准则被人们认为是理解热声振荡在管中得以维持的一个合理解释。 瑞士苏黎士联邦技术研究所的n r o t t 是现代热声学研究的开创者。1 9 6 9 1 9 8 0 年， r o t t 以线性的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， 首先提出小振幅条件下的线性热声模型，对线性的热声效应机理进行了定量的理论分 析，从而为现代线性热声理论奠定了坚实的基础。之后的几十年里，线性热声理论获得 一定的发展和完善 1 7 - 1 9 】，目前已经成为深入了解回热式热机( 包括发动机和制冷机) 工作 机理的一个强有力的工具，已经被证明较之经典热力分析理论更为合理1 2 0 】。 1 9 8 8 年，s w i t i 【1 8 2 1 1 提出了基于r o t t 的线性理论基础上的短板边界层近似理论。该 理论中指出，热声现象能否发生取决于一个参数临界温度梯度，当实际的温度梯度 大于某个临界温度梯度时，发生热致声效应；当实际的温度梯度小于某个临界温度梯度 时，则会发生制冷效应。经过推导，得出临界温度梯度的表达式为 v t ：型 c r t p m c p “i 其中，岛为流体的平均温度，口为热膨胀系数，c o 为角频率，p l 为整个平板上流体的压 力波动值，p 。为平板上点的平均压力值，c p 为气体的定压比热容，蝴为速度振幅。 此外，s w i f t 和w a r d 还开发了一套热声计算程序1 8 0 2 】：d e l t a e ( d e s i g ne n v i r o n m e n t f o rl o w - 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 ) 。程序中包括了个各种常见的几何结构及其 边界条件，可广泛应用于热声发动机、热声制冷机简单管网及其它复合结构的计算和模 4 浙江大学硕士学位论文 拟。s w i r 等人的工作，标志着继n 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。 线性热声理论有许多优点。它从数学角度上采用了分离变量法，并将连续性方程、 能量方程和动量方程线性化，便于学习；而且，只要将这些方程稍加修改就可以应用于 热声系统的其它部件，从而可以实现对整个热声机械的模拟，对整个热声机械的设计和 理论进行优化。但是，它也存在明显的不足【冽。由于它是基于对固定位置的分析来了 解整个系统的运行状况，因此对热声转换的机理的描述并不清楚，并且不能解释热声振 荡系统振荡模式的转变跳频现象的发生，同时对振幅饱和以及系统消振的非线性过 程更是无能为力【2 3 1 ，因而这一理论还有待于进一步完善。 2 非线性热声理论 虽然线性热声理论在热声理论上取得了突破性进展，但无论是在振荡模式( 频率) 转变、热声自激振荡模式发展过程( 振幅变化) ，还是热声声流( 质量流、时均的能量 声流等非线性热声动力学效应) 等方面，线性热声理论都无法给出理想的解释。 国内南京大学韩非等人【2 4 0 5 坎早开展了非线性热声理论的研究工作，认为r 珧e 管 内引起非线性的两个因素为热声非线性相互作用和声波在管子末端的非线性辐射阻抗。 中国科学院理化所李青等人2 越8 】针对热声起振过程中的非线性饱和现象进行了相关研 究。他们用热力学网络分析方法对起振过程进行了研究，在频率和拟相空间中描述了斯 特林热声热机系统中形成热声自激振荡的过程，并提出参数激励机理，认为热声热机的 回热器是一个由声感和流容构成的储能部件，声感对于维持系统起振起到了举足轻重的 作用，是实现并维持热声转换关键的时变网络参数。 此外，西安交通大学刘继平【2 9 删、中国科学院罗二仓等人【3 1 】也对热声非线性现象进 行了相关的研究。 1 9 9 7 年以来，美国j o h nh o p k i n s 大学k a t p o v 和p r o s p e r e t t i 等人通过采用含非线 性项的动量方程、连续性方程以及能量方程，建立并逐步改进了针对热声效应的时域非 线性数学模型。 非线性热声理论虽然可以描述一些热声效应的动态过程并解释一些非线性现象，但 是，由于这种理论才刚刚起步发展，建立的模型并不很完善，在对流道中交变流的流动 和传热过程物理机制等方面的解释上还存在不少缺陷，并且非线性模型的求解也相当困 难，因此还需要进一步完善该理论模拟。 浙江大学硕士学位论文 除了以上两种理论，还有诸如热声网络理论、交交流动理论等多种相关理论模型。 华中科技大学的郭方中研究小组利用有源网络理论对此也开展了相关研究d 2 j ”9 1 。 综上所述，线性热声理论为热机系统的定量理论计算奠定了基础；非线性热声理论 则是有待于进一步完善的理论；网络理论能把热机系统各部件有机地联立起来，并用阻、 感、容等概念从理论上来解释这种现象，是热声热机工程应用的强有力工具，已被广泛 接受和认可，并应用到热机系统中。但是，无论那种理论，都或多或少的存在着缺陷， 都不能完全解释现有的热声现象，因此要建立起来完善的热声理论还有很长的路要走。 3 工质在回热器中的热力过程 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 首先意识到了斯特林发动机回热器中 压力与速度的相位问题，认为行波热声热机中的相位跟传统斯特林发动机中的相位是一 致的，并首次提出了行波热声制冷机的概念。 根据拉格朗日法，s w i r l 认为板叠声场中气体微团的振动位移、速度和压力三者之 间的相位关系，以及气体微团与板叠的换热条件是分析热声转换的关键【馆】。驻波声场 中压力与位移同相位，气体工质与板叠之间为非理想的热接触，因此气体微团的一个运 动周期可以用绝热压缩、等压吸热、绝热膨胀和等压放热四个热力过程来描述；而行波 声场中压力与速度同相，气体工质与板叠接触良好，可以实现近似的等温传热，因此气 体微团的一个运动周期可以用等温压缩、等压吸热、等温膨胀、等压放热四个热力过程 来描述。文献【4 0 】描述的热力循环示意图如图1 2 和1 3 所示。 然而，正如s w i f t 所认为的那样，分析的关键就是压缩、吸热、膨胀和放热的之间 相位关系，也就是热力过程发生的先后关系。而被认为是理解热声振荡如何得以维持的 一个比较合理的定性解释即r a y l e i g h 准则指出，对做声振动的介质，若在其最稠密的 时候向其提供热量，而在其最稀疏的时候从其中吸取能量，声振动就会得到加强；反之， 声振动就会衰减。这一准则的实质也在于压缩、吸热、膨胀和放热的之间相位关系。由 热力学原理可知，发动机要能够向外提供动力，必须在沙v 图和t s 图上形成顺时针的 回路，最为理想的就是卡诺循环f 4 2 1 ，如图1 4 所示。它由绝热压缩、等温吸热、绝热膨 胀和等温放热四个热力过程组成。也就是说，在理想情况下，吸热应该发生在压缩之后， 而放热应该发生在膨胀之后。这一点是所有发动机共同的特征，也是应该遵循的规律。 实际的热声发动机必然也服从这个规律，只不过吸热并不一定完全发生在压缩之后，而 放热也不一定完全发生在膨胀之后，而是可以有一定程度的重合。 6 浙江大学硕士学位论文 1 3 1 h 翼 f ”?i 丫； 托占i i 氛憋热辑缁 b 。苷匿寝热c 穗热帮鬏 t 簿鞲毅熟 图1 2 驻波型热声发动机工质微团的热力过程 礓 o l 豫i 髫 l v 忙匡 蠛 江鍪 、v 7 棼筏嚷热 h 饕锡澎熙厶莓鹰靛热 d 锦酸簇绦 图1 3 行波型热声发动机工质微团的热力过程 ：同： 卡诺循环 热声现象的发现至今已有2 0 0 多年的历史。从热声机械的雏形s o n d h a u s s 管和刚k e 管到可以和传统的内燃机相媲美的行波热声发动机，热声发动机经历了实质性的快速发 7 浙江大学硕士学位论文 展。总体上，根据热声机械中板叠所处的声场类型可以把热声发动机分为两类：行波型 和驻波型。 1 驻波型热声发动机 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定性的 研究，他所使用的一端封闭、一端开口的热声振荡管，后来被命名为s o n d h a u s s 管。 s o n d h a u s s 管正是驻波型热声发动机的雏形。 1 9 6 2 年，美国新墨西哥大学的c a r t e r 教授及其学生f e l d m a n ，在s o n d h a u s s 管中加 入板叠，大大增强了热声效应，获得显著的声功输出，以6 0 0 w 的加热功率输入获得了 2 7 w 的声功率输出，这是世界上第一台有显著声功输出的驻波热声发动机4 3 1 。这标志 着热声机械进入了具有实际意义的研究阶段。 1 9 8 5 年，t h o f l e r 搭建了一台热自激振荡演示装置 4 6 】。它采用有机玻璃作为板叠， 两端分别连接一段开口和一段封闭的铜管，把开口端进入到液氮中，右手握住封闭端， 则当开口端降到一定温度时，就会产生振荡。实验中观察到的振荡频率约为2 0 0 h z 。 1 9 8 9 年，s w i f 和r a d e b a u g h 等人联合搭建了一台驻波型热声发动机 4 7 1 ，该发动机 长1 0 米，以氦气为工质，产生频率为2 8 h z ，输出压比为1 1 ，并用其驱动脉管制冷机， 获得9 0 k 左右的低温，实现了世界上的第一台完全无运动部件的低温制冷机。 日本大学m a t s u b a r a 以及朱绍伟、周淑亮等研制了一台驻波型热声发动机。该发动 机的谐振管的两端有两组相同的板叠，为双边驱动的热声发动机。在工作频率、加热温 度、加热功率分别为7 3 h z 、7 0 0 k 、8 3 3 w 的工况下，获得了2 6 w 的声功输出。 1 9 9 6 年，浙江大学陈国邦等人研制成功国内的一台半波长驻波型热声发动机，如 图1 5 所示。在以氦气和氮气为工质时，分别获得1 0 6 和1 1 2 的最大压比，并用其驱 动脉管制冷机，获得了1 2 0 k 的低温。2 0 0 1 年，浙江大学金滔采用驻波型热声发动机驱 动同轴单级双向进气型脉管制冷机，以氦气作为工质，加热功率为2 1 k w ，充气压力为 2 0 m p a 下，获得了1 1 9 7 k 的最低制冷温度；利用氦氩混合工质，则达到1 1 7 6 k 的最 低制冷温度。2 0 0 3 年，汤珂等在进一步改进的基础上，采用8 m 长谐振管，以氦气作工 质，在2 1 m p a 的充气压力、2 2 0 0 w 的加热功率下，获得了9 1 8 k 的低温。2 0 0 4 年，达 到了8 8 6 k 的无负荷最低制冷温度。2 0 0 7 年，经过进一步优化和改进，更是达到了5 , 4 5 k 的最低制冷温度。 1 9 9 8 年，美国宾州大学的c h e n 和g a r r e t t 等人建成了第一台利用太阳能驱动的驻 8 浙江大学硕士学位论文 图1 5 浙江大学陈国邦等人搭建的驻波型热声发动机 波型热声发动机。它利用直径为3 英尺的透镜聚焦太阳能对陶瓷板叠的一段进行加热， 以一段4 0 c m 长、一段开口的管子作为谐振管，在1 4 波长模式下稳定工作时，共振频 率4 2 0 h z ，可在离开口端1 m 处测得1 2 0 分贝的声波 4 1 ，验证了太阳能驱动热声发动机 的可行性。 1 9 9 8 年，美国c r y e n c o 公司与l o sa l a m o s 国家实验室的s w i f t 等人搭建了一台热 声驱动的脉管天然气液化器，如图1 6 所示。该样机谐振管长1 2 m ，t 作压力为3 0 m p a ， 工作频率为4 0 h z ，脉管进口处的声功达到了1 2 k w ，可以通过燃烧6 0 的天然气来液 化剩余的气体，日产量约为5 3 0 升。该系统对缺少电能和水源的天然气开采地有非常高 的实用价值。 2 行波型热声发动机 相比驻波型热声发动机而言，由于行波型热声发动机具有起振温度低、效率高等优 点，因此得到了更快的发展。 1 8 5 9 年剐k e 把加热的丝网放到一只两端开口的垂直空管的下半部分时，观察n t 强烈的声振荡。这就是后来的 r i j k e 管。而1 8 7 7 年，b o s s c h a 把冷丝网放到这样一只 管子的上半部分时，也同样会发生声振荡。但是当把冷丝网置于空管的下半部分时，振 荡却发生衰减。这就是所谓的“ ? a j k e 振荡。购k e 管被视为行波型热声机械的雏形。 1 9 7 9 年，p h c e p e r l e y 创造性地提出了一种行波型热声制冷机的概念】。他首先意 识$ 1 j t 回热器中压力波和速度波之间的相位关系，并指出有必要把声振动行为同压力、 速度、气体的粘性、可压缩性以及流阻等性质联系起来。但是，c e p e r l e y 在实验中并没 有得到声功放大的效果l 。 1 9 9 8 年，y a z a l d 等人根据c e p e r l e y 的设想首先搭建了环路行波型热声发动机( 如 图1 7 所示) 【椰】。该系统实现了热驱动的持续振荡，但是由于工质的声阻抗较小，效率 9 浙江大学硕士学位论文 图1 6 驻波型热声驱动脉管制冷样机图1 7y a z a k i 等人的纯环路行波热声发动机 较低。在以一个大气压的空气为工质时，压比仅为1 0 2 左右。 1 9 9 9 年，在行波热声热机概念指导下，b a c k h a u s 和s w i f t 建造成功第一台行波一驻波 混合型热声发动机【4 9 j ，如图1 8 所示。该发动机把驻波谐振管支路引入到了行波环路， 使得回热器处的阻抗提高了1 5 3 0 倍。由于其经历的是斯特林循环，其效率比内在不可 逆的驻波系统要高得多。并且，在冷端换热器的上方安装了经过精心设计的、用来抑制 g e d e o n 直流的装置：喷射泵。实验表明，当以氦气为工质时，该发动机的压比达到了 1 2 2 ，热效率可达0 3 0 ，相对卡诺循环效率高j 盘4 2 ，比以往任何热声发动机的效率都 要高出5 0 以上，几乎达到了可以和通常的内燃机相媲美的地步。由于该开创性的成果， s w i f l 和b a e k h a u s 因此荣获了1 9 9 9 年美国 r & d 1 0 0 奖。 2 0 0 0 年，s w i f t 等人在原有驻波型热声发动机的基础上，又研制了效率更高、功率 更大的热声斯特林发动机来代替驻波型热声发动机，以期实现更大的天然气液化能力。 发动机结构和系统示意图如图i 9 所示。 图1 8b a c k h a u s 和s w i f l 研制的斯特林热声发动机及其环路结构 1 0 浙江大学硕士学位论文 图1 9 热声斯特林发动机驱动脉管制冷样机及系统示意图 2 0 0 1 年，浙江大学金滔与法国国家科研中, i ) , l i m s i 实验室联合研制了一台行波型热 声发动机，如图1 1 0 所示。该装置在反馈回路中，附加了一个滑动连接结构来平衡高温 的应变，并采用绕成双螺旋状的加热电阻丝来提供能量。在法国的初步实验表明，分别 用氦气和氮气为工质时，分别获得了6 6 h z 和2 3 h z 的热声振荡。 2 0 0 1 年，日本t b i w a 在行波环路的特定位置引入驻波谐振直管印l ，通过对系统的测 量和分析发现，整个系统内的压力分布类似于谐振管里的驻波声场。 图1 1 0 金滔等人设计的热声斯特林发动机 2 0 0 1 - 2 0 0 5 年，中科院理化所罗二仓等人采用自行研制的行波型热声发动机驱动一 台微型同轴脉管制冷机，最低制冷温度突破了液氮温度。 2 0 0 2 年，浙江大学邱利民等建成一台行波热声发动机。以氮气为工质，在充气压力 浙江大学硕士学位论文 为0 9 m p a 时，在发动机上得到的最大压比为1 2 l ；以氦气为工质，在充气压力为2 0 m p a 时得到最大压比1 1 9 。而后经过改进，通过完全抑制直流，以氮气为工质时，在工作压 力为1 5 6 m p a 时，得到最大压比为1 3 0 2 ；工作压力为2 5 4 m p a 时的峰一峰压力振幅为 0 6 3 m p a 。 2 0 0 3 年，g a r d n e r 和s w i f t 等在综合了各种热声发动机的优点的基础上，针对氩气工 质设计并搭建了驻波一行波级联型热声发动机【5 ，如图1 1 1 所示。这种级联式的热声发 动机不但避免了由于环路的存在而产生的直流，同时实现了压力和速度的行波相位。它 以驻波发动机为第一级，以行波发动机作为第二级和第三级，理论上也可以实现3 0 的 热效率。但由于设计错误，缓冲器过小，使得加热温度达到5 0 0 时发动机仍无法起振。 图1 1 l 级联式热声发动机系统示意图 p ：压力测点t ：温度测点a h x ：冷却器s ：板叠h h x - 加热嚣f s ：导流器r ：回热器t b t ：热缓冲管 1 2 浙江大学硕士学位论文 图1 1 2 中科院罗二仓等人研制的聚能型行波热声发动机 2 0 0 5 年，中科院理化所罗二仓等人研制了聚能型行波热声发动机芦2 j 3 1 ，如图1 1 2 所 示。实验样机以是一根长度为3m 、内径从8 0 咖逐渐增n n 2 0 0r f l m 的锥形管代替原热 声发动机中的直管谐振管，其作用在于消除谐振管中的非线性传输效应，使热声激励源 产生的声能集中在该热声系统的最低共振频率模式上，从而达到提高压比和声压的目 的。以氦气为工质，1 5 m p a 充气压力和加热温度6 7 3 c 情况下，得到了1 3 0 的最大压比， 为当时所报道的热声发动机的最大压比。 2 0 0 6 年，中科院理化所余国瑶和罗二仓等人在c f d 模拟结果的指导下，对他们的聚 能型行波热声发动机又进行了改进【川，将锥管的长度增n n y 5 m ，锥管末端内径增加 至u 3 0 0 m m ，而末端直管长度增n n i m 。实验结果显示，当以氮气为工质、充气压力为 i s m p a 、系统在3 0 0 0 w 的加热功率下加热到6 7 l 时，系统共振频率为2 3 h z ，而压比高 达1 4 0 。这也是到当时为止所报道的最大输出压比。同时，系统的最低起振温度由改进 前的1 2 5 降低到了改进后的7 3 c ，突破了1 0 0 c ，为当时所报道的行波热声发动机的最 低起振温度。 1 4 本文主要工作 在模拟计算的基础上，本课题组研制成一台行波热声斯特林发动机，在课题组前人 对实验系统进行了整体模拟和设计，并完成前期部分工作的基础上，本文工作主要包括 以下几方面： i 完成实验台的最后搭建工作，并进行初步的实验研究。该部分在介绍行波热声 发动机系统的基础上，着重给出相关的实验结果，主要包括起振温度和消振温度特性、 浙江大学硕士学位论文 压比特性、频率特性等。这些工作对迸一步的工作具有重要的指导意义。 2 在了解和掌握所搭建的行波热声发动机的整体性能的基础上，针对其起振和消 振过程这个具体的细节上进行深入细致的研究。自从金滔等1 9 9 9 年首次提出了热声系 统滞后回路的概念并得到实验验证以来，滞后回路一直是研究热声系统的热点之一。在 此背景下，本文在理解热声滞后回路形成的机理上，主要针对加热方式和充气压力，系 统地考察了该行波热声发动机的起振和消振行为，分析了影响热声系统滞后回路的因素 和滞后回路形成的过程，指出了滞后回路存在的条件，对深入理解热声系统的起振和消 振行为以及降低起振温度和消振温度具有参考意义。 3 研究结构参数对热声系统起消振行为的影响。不但考察了谐振管长度对热声系 统起振和消振行为的影响，而且第一次提出和研究了行波热声发动机环路中的直流抑制 部件：弹性膜的安装位置对热声系统起振和消振行为以及系统性能的影响，并最终使得 系统的整体性能有了一定的提高，为理解热声系统的起振和消振机理以及改善热声发动 机的性能提供了有益的参考。同时，在实验的基础上对热声系统的起振和消振机理进行 了定性的解释，为今后的工作指明了方向。 1 4 浙江大学硕士学位论文 第二章热声发动机系统及初步实验研究 在课题组前人对一行波型热声发动机设计、部分建设工作的基础上嗍，完成了实验台的整体搭 建，并开展了初步的实验研究。本章将首先介绍行波熟声发动机实验系统，包括实验台的总体结构、 部分结构参数和测量系统；然后详细介绍初步的实验结果。 2 1 行波热声发动机系统 1 实验装置 自行研制的行波型热声发动机如图2 1 所示。它主要由行波环路、谐振直管和消振 锥管组成。 环路中，加热器、回热器和主水冷器构成了整个系统最为核心的部分。加热器是系 统的核心部件之一，为热声系统的动力源。加热块长7 5 m m ，直径8 3 m m ，采用平行翅 片式结构，将外径为8 3 r a m 的圆柱形紫铜块通过线切割产生翅片结构，然后冷套入内径 为8 3 r a m 的不锈钢管内紧密结合，肋基部分布置1 8 根总功率可达3 6 0 0 w 左右的加热棒。 图2 1 行波热声发动机示意图 回热器是产生和放大热声效应的部件，包括填料和壳体两部分。壳体是一段与加热 器焊接在一起、内径为8 3 m m 的不锈钢管。填料总长7 8 m m ，直径8 3 r a m ，采用平织型 浙江大学硕士学位论文 1 2 0 目不锈钢丝网堆叠而成。实验前，将丝网清洗干净后，逐片填进壳体内，压实，填 满为止。实际填装4 7 0 片。 冷却器包括主水冷器和副水冷器。主水冷器位于回热器的上方，轴向长度为2 6 m m ； 副水冷器位于热缓冲管的下方，轴向长度为2 0 m m 。它们均为平行翅片管式结构，以水 为冷却介质。主冷却器用来冷却壳程的工质气体，和加热器、回热器一起构成热声的核 心部件，为热声系统提供所需的温度梯度。副水冷器主要用来吸收从加热器方向来的气 体热量和来自于加热器的辐射热量，防止其进入反馈回路和谐振管。 喷射泵和膜部件：均为抑制环路g e d e o n 直流部件。喷射泵为预留部件，为以后的 实验预留空间，本文中尚未涉及。本实验中目前采用硅胶膜来抑制直流。设计时，考虑 到系统内工质是频率较高的交变流动，为了延长膜片的使用寿命，将其安装在速度较小 的位置，即速度波节、压力波腹处，亦即是图2 1 所示的球形空腔处。硅胶膜比较经济， 可以很好地抑制g e d e o n 直流【5 6 】，本文中采用同一厂家生产的硅胶膜。 热缓冲管：用于削弱加热器和副冷却器之间的热交换。由于在热缓冲管中可能发生 瑞利流，因此把它设计成锥形管形式。热缓冲管上半部分直管段长9 0 m m ，内径8 3 5 m m ； 下半部分为长1 5 0 m m 的锥管段，锥管上端内径8 3 5 m m ，半角锥度1 3 5 度。 声容管路和反馈回路：由若干9 0 度弯头、直管以及一段用于平衡热膨胀量的波纹 管组成。环路宽为0 5 3 m ，高为1 0 7 m 。 谐振管：包括三部分，第一部分是一段内径为8 3 r a m 、长为2 3 0 0 m m 的共振直管； 第二部分是长为1 5 0 0 r a m 的锥管，内径从8 3 r a m 逐渐增加到2 4 0 m m ；第三部分是消声 直管，长为5 0 0 m m ，末端用球冠形封底。谐振管总长为4 3 m 。 2 测量系统 本文的数据信号主要包括温度信号和压力信号。 温度测量：共有1 6 个温度测点，沿着轴向依次分布在主水冷器直至热缓冲管上， 如图2 1 中所示。其中，主水冷器上方和下方各有一个t 型热电偶，用于测量内部进出 主水冷器的气体温度，信号通过耐高压的密封接头引出。而在回热器壳体的外壁上布置 四个k 型热电偶，用于测量回热器上的温度分布。为了监测加热器的加热温度，同时 为了对比加热器内外表面的温度差异，在加热器上布置了两个温度测点：一个插入加热 铜块肋基的内部，一个紧贴在该处不锈钢管的外壁。其余8 个k 型热电偶则依次分布 在缓冲管上，用于测量缓冲管上的温度分布和直流情况。以上测点依次命名为t l t t 6 ， 1 6 浙江大学硕士学位论文 其中，t 7 为加热器内表面温度，t 8 为加热器外表面温度。 当测量回热器和热缓冲器上的温度分布时，坐标以t 2 处为坐标零点，向下为正方 向，回热器总长7 8 r a m ，所以t 7 和t 8 的坐标均为t 8 。而且认为整个加热器温度均匀一 致，因此加热器可以看作是一个点。从t 9 到t 1 6 依次为热缓冲器上的温度测点，也以向 下方向为正方向。 以上所有温度信号，均通过a g i l e n t 3 4 9 7 0 a 型数字多用表的1 1 6 通道进入计算机 系统，利用基于l a b v i e w 软件自行开发的程序自动采集和处理。 ( ”( c ) 图2 2 数据采集仪器 ( a ) a g i l e n t - 3 4 9 7 0 a 型数字多用表；( b ) 美国n i 公司p c i6 2 2 0 数据采集卡#( c ) m s p 3 0 0 - 3 0 0 压力传感器 压力测量：主要由直流稳压电源、压力传感器、数据采集卡、计算机和基于l a b v i e w 软件自行开发的程序组成。直流稳压电源为压力传感器提供稳定的直流电压；压力传感 器为美国m s is e n s o r s 公司生产的m s p 3 0 0 3 0 0 系列传感器，其测量