（制冷及低温工程专业论文）热声驱动的脉管制冷实验研究.pdf

塑坚查兰堡 堂焦笙塞 热声驱动的脉管制冷实验研究 孔博 浙江大学制冷与低温工程研究所 杭州 3 1 0 0 2 7 摘要 热声驱动器是一种与常规机械式压缩机完全不同的新型驱动器 它没有机械 运动部件 可使用低品位能源 具有结构简单 运行可靠 无维修工作时间长等 优点 采用热声驱动器取代常规的机械式压缩机来驱动脉管制冷机完全取消了运 动部件 是一种新型的颇具潜力的制冷方案 有望成为一种长寿命的低温制冷机 本文首先回顾了热声机械的历史及现状 详细介绍了热声学理论基础 重点 开展了以下研究工作 1 对实验装置的数据采集系统进行了改进 完全实现了温度与压力的自动 测量 数据的实时分析显示以及自动保存 2 采用黄铜和不锈钢两种丝网板叠进行了热声驱动脉管制冷的对比实验 表明黄铜丝网板叠的热声转换性能明显优于不锈钢丝网 然后采用定压 比热容与热渗透深度以及密度乘积来衡量材料的横向传热性能 在理论 上为实验结果找到了依据 3 采用夹套式和壳管式两种水冷却器进行了热声驱动脉管制冷的对比实 验 由于壳管式水冷却器总流动阻力大于夹套式水冷却器 虽然壳管式 水冷却器的传热性能优越 但系统整体性能较差 利用单向流动近似的 方法分别对夹套式和壳管式水冷却器流阻和热阻进行了深入分析 为它 们的进一步改进指明了方向 提出了添加导流片以降低壳管式水冷却器 流阻的方法 并进行了初步的实验探索 4 针剥 原有的热声驱动脉管制冷机实验装置 进一步优化了小孔阀和双向 进气阀的丌度 获得了1 1 5 4 k 的最低制冷温度 我们还发现通过调节脉 管制冷机双向进气阀 使系统的起振温度从5 6 0 0 降低为3 7 0 0 为低品 位能源的利用创造了条件 最后对本课题研究给出了全文总结 关键词 热声驻波脉管制冷 塑垩查兰堡 堂竺丝壅 i n v e s t i g a t i o n o np u l s et u b e r e f r i g e r a t i o n d r i v e nb y t h e r m o a c o u s t i cp r i m em o v e r b e k 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 u 310 0 2 7 r 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 f i cp r i m em o v e ri sa na b s o l u t e l yn e wt y p eo fc o m p r e s s o r i th a s n ta n ym o v i n g p a r ts oi tc a nw o r k f o ral o n gp e r i o dw i t h o u tm a i n t e n a n c e w a s t es t e a ma n ds o l a re n e r g yc a nb e u s e da si t sh e a t i n g r e s o u r c e ss ot h a ti th a sm a n ya p p l i c a t i o n se s p e c i a l l yf o rt h ep l a c e sh a v i n gn o e l e c t r i c i t ys u p p l y w el l s e t h es e l f b u i l tt h e r m o a c o u s t i cp r i m em o v e rt od r i v et h ep u l s et u b e r e f r i g e r a t o r i ti san e wt y p eo fr e f r i g e r a t i o na n d w i l lh a v em a n y a p p l i c a t i o n si nt h ef u t u r e a f t e rr e v i e w i n gt h eh i s t o r ya n dr e c e n td e v e l o p m e n t so ft h er e s e a r c ho nt h e r m o a c o u s t i c s a n d i n t r o d u c i n g t h ec l a s s i c a lt h e r m o a c o u s t i ct h e o r y w ec a r r yo u tt h e f o l l o w i n gi n v e s t i g a t i o n s 1 a d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e ma p p l i e di np u l s et u b er e f r i g e r a t i o nd r i v e nb y t h e r m o a c o u s t i cp r i m em o v e re x p e r i m e n t a le q u i p m e n ti se s t a b l i s h e d i ti ss i m p l e e f f i c i e n t p r e c i s ea n dm a n e u v e r a b l e i tw e l ls a t i s f i e st h em e a s u r e m e n ta n dd a t a a c q u i s i t i o nr e q u i r e m e n t o fo u re x p e r i m e n t 2 c o n t r a s t i v e e x p e r i m e n t s w i t hb r a s sa n ds t a i n l e s ss t e e ls c r e e n s t a c k si n 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 a r ec a r r i e do u t b a s e do nt h e a n a l y s i so f a x i a la n dt r a n s v e r s eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a r ed i s c u s s e d 3 c o n t r a s t i v ee x p e r i m e n t sw i t hj a c k e tt y p ew a t e rc o o l e r sa n ds h e l l a n d t u b ew a t e r c o o l e r sa r ec a r r i e do u t b yt h em e t h o do ft a s f e t h et i m e a v e r a g e s t e a d y f l o w e q u i v a l e n t t h e i rt h e r m o r e s i s t a n c ea n dp r e s s u r ed r o pa r ec a l c u l a t e d b ya n a l y s i s t h e i l l u s t r a t i o n st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f c o l d e n dh e a te x c h a n g e ra r ep r o p o s e d 4 e x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n eo nt h es e l f b u i l tp u l s et u b er e f r i g e r a t o rd r i v e nb y s t a n d i n gw a v et h e r m o a c o u s t i cp r i m em o v e rs y s t e m b yt h eo p t i m i z a t i o n so ft h e o p e n i n g so fo r i f i c ea n dd o u b l ei n l e tv a l v e s ar e f r i g e r a t i o nt e m p e r a t u r ea sl o wa s 115 4 kh a sb e e na c h i e v e d b yo p e r a t i n gt h ed o u b l ei n l e tv a l v eo ft h ep u l s et u b e r e f r i g e r a t o r t h eo n s e tt e m p e r a t u r eo ft h et h e r m o a c o u s t i cs y s t e md e c r e a s e sf r o m5 5 0 t o3 4 0 c i tp r o v i d e st h ep o s s i b i l i t yo f u t i l i z i n gt h el o w g r a d eh e a t e n e r g y i nt h ee n d t h es u m m a r i z a t i o no f t h ed i s s e r t a t i o ni sa l s og i v e n k e y w o r d s t h e r m o a c o u s t i cp r i m em o v e r s t a n d i n gw a v e p u l s et u b er e f r i g e r a t o r i i 独创性声明 yg 8 0 1 2 b 本人声明所呈交的学位论义是在导师指导r 进行的研究工作及取得的研究成果 据我所知 除r 文巾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 也不包含为获得堂壅查堂或其他教育机构的学位或证书而使j t j 过的材料 与我一同 l 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 一虢乳偿 签宁日期 伽争年歹月 7 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星有关保留 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 本人授权堑壅盘兰可以将学位沦文i e 勺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 保密的学化论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 签亨口期 斛 见于缮 学位论文作者毕业肝去向 i 作单位 通讯地址 导师签名 签字日期 电话 邮编 浙扛大学硕士学位论立 声速 流休定乐比热 板替材利定压比热 性能系数 共振频率 板叠平板间距 换热器下扳问距 焙 虚数单位 电流 复数虚部 波数 流体导热市 板叠材料导热率 板各平板厚度的1 2 挟热器平板厚度的1 1 2 多变指数 压力 热流 雷诺数 复数的实部 水力 卜径 比熵 扳叠平板厚度 寸间 温度 湍差 温度梯度 质点速度 体积速度 功 板叠长度 换热器 毛瘦 沿声传播方向的位置 声传稀垂直方向的位置 板壁 f 扳间距的1 2 主要符号表 上 下标 声阻抗 临界与实际温度梯度之比 渗透深度 固体的热容比 声波长 弧波长 角频率 效率 卡诺效率 热扩散系数 动力粘度 粘滞系数 热膨胀系数 绝热指数 密度 周蚝 普朗特数 平均量 一次量 二次量 换熟器 粘性 固体材料 热端 冷端 诺值 临界值 z r占 五尢m叩仇芷u q p n 阡 m 2 r y s c 盯 印 m 五k h h 虹 o 肛q n 丁盯玎 矿 血 y 第一章绪论 本章将介绍本课题的研究背景以及热声现象在不同领域的研究与应用的历 史和现状 最后简要介绍所完成的主要工作内容 1 1 课题背景 2 0 0 0 年 美国工程学会联合会在网站 h t t p w w w g r e a t a c h i e v e m e m s o r k 上 公布了他们评选出的2 0 世纪最伟大的工程发明 名单上排名第二和第十位的是 两种绘人们的生活带来了巨大影响的热机 内燃机与制冷机 但是现在人们对这 两种技术却表示出越加强烈的不满 因为随着工业文明的快速发展 这两种热机 对环境的破坏越来越剧烈 严重威胁着人类的生存 内燃机会排出遮蔽天空的烟 雾和大量导致全球气候变暖温室的气体 而制冷机的常用的工质是氯氟烃 它泄 漏到大气中会强烈破坏臭氧层 值得庆幸的是 上世纪末期一种被称为 热声热机 的新型热机技术在美困 诞生了 它利用热声效应来实现热能与声能之间相互转变 包括吸收热能产生声 能的热声驱动器和利用声能来制冷的热声制冷机 热声效应是声场中的时均热力 学效应 从声学角度来说 它是由于处于声场中的固体介质与振荡的流体之间的 相互作用 使得距固体壁面 定范围内沿着 或逆着 声传播方向产生一个时均 热流 并在这个区域内产生或者吸收声能的现象 由于热声热机所采用的工质是 大气中本身就存在的惰性气体 故此类热机对环境是非常友好的 凳 舻黝器 凇 慧 嚣 产生电能 发电机 蓑1 栅p 动 哺渊沪驱勰 热驱动 如热声驱动脉管制冷机 除了在环保上的巨大优势之外 热声热机还具有一些其他的突出的优点 我 们首先把热声驱动器与常规驱动器相比较 1 它的系统结构简单且完全无运动 部件 从根本上消除了常规机械热机中存在的癌损与振动 因此可靠性高 寿命 长 2 采用热能驱动 可用废热 太阳能和燃气等作为热源 采用低品位的热 能不仅有利于提高系统的热力学效率 而且对于那些缺乏电能的场合更具实际意 义 下面我们再来看热声制冷机 它一般用扬声器来驱动 虽然扬声器振动膜是 周期振动的 但山于其不需要密封 不存在固体与固体之间的摩擦 故无维修使 塑翌查兰堡 堂篁丝塞 一一 用寿命比常规的制冷机要长 且与压缩机的活塞相比振动膜的振动要小得多 若 采用气体工质 则在那些需要较大温差 较小能流密度的场合有很大的应用前景 若采用近临界相工质 如乙烯 则单位体积制冷量可与目前的常规蒸气式压缩 制冷机相当 其清洁 可靠和低成本的特点使之无论在家用还是工业制冷场合都 具有潜在的竞争力 此外 上世纪6 0 年代出现的脉管制冷机也算是一种广义一k 的热声制冷机 它利用一根低热导率的管中气体的周期振荡运动来产生比一般意义上的热声制 冷机更大的温度梯度 与常见的小型低温制冷机 如分置式斯特林制冷机 g m 制冷机相比较 脉管制冷机的最大特点是结构简单 取消了机械式的低温排出器 代之以气体在管内的往复运动 因而具有运行可靠 振动小和寿命长的优点 近 年来伴随着空间遥感遥测和高温超导器件的兴起 小型低温制冷机得n t 飞速发 展 特别是在为空间遥感遥测 卫星预警 军事 低温医学 低温电子器件 气 体液化等领域提供必要的低温冷源 而脉管制冷机恰恰满足了低温制冷机在一些 尖端领域应用时所面临的高可靠性 长寿命 微小振动和电磁干扰的要求 因此 脉管制冷机得到各国研究人员的广泛重视 目前单级脉冲管制冷机已经能达到 1 5 k 的最低制冷温度 而采用3 h e 为工质的三级脉管机可达到1 7 k 的最低制冷 温度峨 显然 热声驱动器和热声制冷机是利用了同一原理的正反物理过程 而且 目前的脉管制冷机大多采用机械式压缩机 它仍将是制冷系统系统长期稳定运行 的一大障碍 在这种情况下 人们提出了用热声发动机来取代常规机械式压缩机 来直接驱动脉管制冷机的想法 这被认为是一种新型的极具潜力的制冷方案 由 于它完全无运动部件 因而可望成为一种长寿命的低温制冷机 而且它是直接以 热能驱动的制冷系统 因此具有更高的可靠性 更长的寿命以及更加广阔的应用 前景 总之 热声热机是一种对环境友好 可靠性高的新型热机 因此 近二十年 它的研究在欧美一些发达国家蓬勃发展起来 相继取得了一系列可喜的成果 1 9 9 9 年 美国洛斯一阿拉莫斯国家实验室b a c k h a u s 和s w i f t 在 n a t u r e 上发表 论文报道研制成一台热声斯特林发动机 2 1 其热效率高达o 3 0 完全可以同内燃 机 o 2 5 0 4 0 和传统的活塞式斯特林发动机 o 2 0 一o 3 8 相媲美 这意味着 热声机械可望成为2 1 世纪没有运动部件的新型动力机械 引起了各国科研工作 者和工业界的强烈关注 我国热声研究虽然只有十多年的历史 同国外相比有较大的差距 但在大家 的共同努力下也取得了很大的进步 在个别领域甚至已经具备赶上世界先进水平 的实力 而且该研究领域得到了国内越来越多的关注 投入也逐步加大 我们应 趁此大好时机迎头赶上 正是在这样的背景下 本文开展了具有极佳应用前景的 2 热声驱动脉管制冷的研究工作 下面我们将简要地回顾一下热声研究的发展历史并介绍一些最新的研究进 展 1 2 发展历史和研究现状 1 2 1 热声效应的发现 虽然热声热机才出现不久 人们却是很早就发现了热声现象 但对其理解和 掌握却经历了2 0 0 年的探索 是认识自然艰巨曲折过程的很好说明a 回顾这二百 年的发展历程 不但有助于对热声学的理解 增加对科学发展规律的认识 也有 助于推动热声学的进一步发展 热声效应发现很早 历史悠久 最早引入中国的西方声学教科书一 英国田 大里 中文译名 的 声学 中就提到1 7 7 7 年b y r o nh i g g i n s 的实验 h i g g i n s 把氢气灯火焰置入一个直立粗管中一定位置 激发出了声音 这时氢气才发现不 久 历史上称此为歌焰的第一次出现 也是热声效应的发现 当时受到广泛注意 但其原理一直未得解释 高烟囱或炉膛中的火焰有时弓1 起强烈噪声和强烈振动以 致造成严重破坏 现在我们知道其原因就是h i g g i n s 管作用 4 1 在第二次世界大 战中纳粹德国使用的v 1 导弹 在飞行中发出强烈怪声 造成恐慌 所利用的电 就是h i g g i n s 管的原理 另外脉冲燃烧技术也是发源于此 5 1 8 0 2 年c h l a d n i 用氢火焰做实验后 认为与其它方式发声 例如用口横吹管 口 这后来称为风琴管现象 并没有很大差别 它的音高 或频率 与管长成反比 并有第一和第二倍音 3 j 同年 d el a r i v e 在一端为圆泡的玻璃管中滴了一滴水 加热 水滴化为蒸汽 膨胀 升至管口 又凝结 收缩 发出了声音 于是认为 发声是由于氢燃烧成的水蒸气涨缩 而不是由于氢的燃烧 3 1 18 18 年f a r a d a y 发现用一氧化碳气体在管中燃烧同样可以发声 证明水蒸气 的解释有误 他的解释是声音来自燃气不断在空气中与氧气化合 爆炸 每次爆 炸把火焰压下 以后又燃烧 爆炸 循环不已 成了声音 3 o 后来 w h e a t s t o n e 用旋转反射镜证实了火焰被压的现象 旋转的反射镜中可看到火焰不断地跳动 有时还看到火焰被压入燃气管1 3 3 1o 盱1 大里自己也做了大量实验 他用一根长5 英尺直径2 5 英寸的铁管罩在煤气火焰上 刚开始的时候 火焰乱动 不久就稳 定下来并发出纯音 把火焰关小 则音调升高 变成第一倍音 火焰再关小 音 调又升高 成为第二倍音 加大火焰 可恢复基音 火焰更大 可同时出现第一 第二倩音 火焰非常大时 声音也非常强大 甚至把火焰扑灭 开i i 大里还用长短 不同的八根铁管 每根配上煤气灯 成为一套能发八度音的乐器 他没有直接讨 论歌焰发声的原理 但他把这些现象都写在了 摩荡生音 中文译名 这一章 罩 思见他认为是火焰或者热气与管壁摩擦和共振的结果 3 1 对此 s o n d h a u s e 塑坚查兰婴 堂垡堡苎 做t n a 实验研究 他认为在歌焰实验中供气管起决定性作用 在供气管中近喷 口处堵上棉花 火焰看起来没有变化 但不能发出声音了1 6 j 其实早在十八世纪中欧洲的吹玻璃工入就发现 用长1 2 c m 至1 5 c m 细玻璃 管吹一个直径2 c m 热玻璃泡时 后者会发出声音 对此 s o n d h a u s e 也进行了深 入细致的研究 他证明发声与玻璃无关 并定量地取得发声频率与圆泡和细管尺 寸的关系 他提出h i g g i n s 管不是热声源的唯一形式 并在1 8 5 0 年发明了 s o n d b a u s s 管 一端封闭 一端开口 在封闭端加热就可以发出声音1 6 j a h i g g i n s 管 b s o n d h a u s e 管 c s o n d h a u s e c a r t e r 管 d r i j k e 管 e b o s c h a 管 图1 1 早期的热声管 18 9 6 年 l o r d r a y l e i g h 首先对热声振荡现象给出了定性的解释i 训 这是人们 第一次从理论上对热声现象进行探讨 几乎在所有情况下 加热流体就产生膨 胀 并可用之做功 如果有关的各种力的相位合适的话 就可以产生连续振动 j 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 维持一种振荡 对作声振动的介质 若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 到目 前为止 此准则一直被人们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 r a y l e i g h 对h i g g i n s 管的原理也做了进 步分析 他认为不但主管中有共 振 燃气管中也存在共振 只有燃气管从喷v t 到气室开1 2 1 处的长度小于1 4 波长 塑坚查兰堡 堂些笙奎 一一 燃气管内的波动有助于燃气的喷出 才能使发声不断a 如果燃气管长恰恰等于 1 4 波长 就不能发声了 燃气管长再增加 仍不利于发声 直到半波长以上 发声又可以继续不断 这和s o n d b a u s s 早期实验结果完全符合 r a y l e i g h 后来对 此依过实验验证m 他还在 管内火焰旁弓1 入一小火焰以检验当遗的气压 甩旋 转反射镜观察 证明主火焰s n d 火焰同步跳跃 后来 p l r i j k e 8 1 发明用加热的金属丝网代替火焰发展了h i g g i n s 管 r i j k e 管发声宏大 倍音丰富 人称 啸声管 与雕1 k e 管对应的是b o s s c h a 管 b o s s c h a 管是由b o s s c h a 在1 8 7 7 年发现的 他把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 m i k e 管与 b o s s c h a 管都是直立的开管 里面有金属丝网 不同的地方是r i j k e 管的丝网在 下半截 距下丌口大约四分之一或三分之一处 要加热 而b o s s c h a 管的丝网则 在上半截矩上开口大约四分之一或三分之一处 不加热 从下开口吹热空气 二 者构造不同 但发声原理相同 r a y l e i g h 均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 i j k e 管被广泛地用于热声教学演示实验 9 1 1 9 4 9 年 t a c o n i s 在研究液氦的时候 发现了低温界广为人知的t a e o n i s 振荡 即一根一端封闭的空管子接触到液氦的液面时 管中将可能发生振荡 t a c o n i s 对这种现象的解释与r a y l e i 曲基本相同 不过这一发现对于正确认识和 积极防止低温系统中的振荡问题具有着深刻意义 1 2 2 理论热声学 1 2 2 1 线性理沦 上面提到的热声研究主要是一些研究者在大量试验中的偶然发现或直观推 论 在实验基硎 上建立了严格的理论并在理论指导下研制新结构的情况就完全不 同了 严格说 理论热声学是从k i r c h h o f f 开始的 1 1 l 1 8 6 8 年 k i r c h h o f f 计算了 声音在管中由固体等温管壁和维持声波的气体之间振荡的热传导引起的衰减量 研究了热传导对管内声波传播的影响 1 9 6 9 年 瑞士苏黎士联邦技术研究所的n r o t t 对t a c o n i s 振荡产生了浓厚兴 趣并开始致力于热声振荡的定量理论研耕垃 他研究了不同截丽积管内t a c o n i s 振荡起振的条件 并探索了振荡的声压 速度和温度的振幅计算方法 1 2 1 管内 振荡的热流密度计算 并在1 9 8 0 年的文章中对其多年的工作进行了总结 他在理论上阐明并插述了热声效应中存在着热和功的相互转化 他导出的理论框 架是分析热声热机 包括热声压缩机和热声制冷机 的理论基础 是目前热声研 究中公认最有效 也是应用最广泛的理论 从而奠定了现代线性热声学的理论基 础 4 t u f n 水t 在热声源 声热泵和制冷系统等方面作了大量理论和实验工作 此后 m e r k l i 和t h o m a n n 讨论了另一类热声效应 即等温壁而的谐振管中驻 塑 坚查兰堡 兰些丝塞一一 波声场与外热源问存在的时均横向吸热和放热效应陋1 7 l 发现 普朗特数小于1 的气体 在速度波腹附近流体由管壁横向吸热 在压力波腹附近 流体对管壁横 向放热 如果普朗特数大于1 则不存在横向吸放热效应 因此热声机械采用普朗 特数小于1f 1 勺工质 尽管r o t t 和m e r k l i 等人的工作并没有考虑到管中放置了板 叠的情况 但他们提出的理论是理解热声现象的基础 1 9 8 2 年到1 9 8 6 年 美国洛斯 阿拉莫斯国家实验室 l a n l 的w h e a t l e y 等人在搭建了一套添加了热声板叠的热声驱动器后 他依据r o t t 的理论发展了 一套针对平行板叠几何结构的热声方程组 w h e a t l e y 去世后 l o s a l a m o s 小 组在s w i f t 的领导下继续开展热声基础理论研究 1 9 8 8 年 g w s w i f t 教授的 t h e r m o a c o u s t i ce n g i n e 一文的发表 1 9 标志着继n r o t t 以后现代热声学研究 进入一个新的阶段 他除发展了经典的热声理论外 还提出了热声学相似理论 脉管制冷机中的声流等 w a r d 和s w i f t 等还编制了一套热声模拟计算程序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 该程序涵 盖了各种常规的几何结构的边界条件 因而可以广泛应用于热声驱动器和热声制 冷机的谐振管以及各种复合结构 美国海军研究生院的h o f l e r 于1 9 9 0 年报道了他的热声短板模型 利用此模 型他计算分析了在任意板叠间距情况下的热声现象 2 1 9 9 1 年 密西西比大学 的a m o t t 和b a s s 等人在推导适用于任意形状热声板叠中的热声理论时 采用了 三维的短板模型求出了任意位置上的声功流 热流 焓流 2 2 1 此外 科罗拉多大学的g u 和t i m m e r h a u s 对低温系统中的热声振荡 即 t a c o n i s 振荡 进行了理论和实验研究 并对液氦系统提出了热声振荡的质点弹 簧分析方法 2 他们认为 由于开口端常温区的温度远高于闭口端低温区 即液 氦温区 因而低温区气体密度要远大于常温区 这样通过假定常温区的气体为 弹簧 而低温端的气体为附在弹簧底部的质点 就可以把这一原本颇为复杂的系 统简化为大家所熟悉的质点弹簧振动系统 美国约翰一霍普金斯大学在对热声制冷机和热声驱动器的数值模拟方面颇 具特色 而且进展迅速 2 4 2 6 l 他们在数值分析基础上进行的优化设计也有其独到 之处 他们对影响热声转换过程的众多的变量进行了具体的分析 归纳出一系列 无量纲量 把原来至少1 9 个独立参数减至6 个无量纲输入量 就可对系统进行 优化计算 大大简化了优化设计的过程 这对于热声系统这样含有众多影响因素 的复杂系统来说具有非常重要的意义 2 刀 e t 本筑波大学物理研究所的富永昭等自1 9 7 6 年开始从事热声效应的研究 自1 9 9 0 年以来 他们注重于理论及数值模拟方面研究f 2 他们对热声理论进行 了热力学分析 从而得出各种不可逆因素的影响情况 以便加以克服来提高效率 6 浙江大学硕士学伉论文 另外 他们还将热声理沦应用于脉管制冷机的机理分析 主要是对回热器进行相 位分析 以便更好地理解相移机理 并于1 9 9 8 年卅版了热声学专著 热音响工 学 f u n d a m e n t a lt h e r m o a c o u s t i c s 2 8 1 我圈的热声研究起步于8 0 年代末 中科院低温中心的肖家华首先开展了热 声理论研究 3 0 3 3 1 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 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 还指出对低 p r a n d t l 的流体 存在一个临界声导 在高声导区 外热源横向从流体吸热 在 低声导区 流体向外热源放热 在中问声导区 流体耗功并同时向外热源放热 在此基础上 还探讨了回热式制冷机热声理论的定性框架 在肖家华之后 中科 院的刘海东 罗二仓等人对热声现象进行了进一步的理论和实验研究 他们通过 理论计算讨论产生临界温度梯度与压力和体积速度的波动幅度及其相位差以及 流体与固体的热作用结构和尺寸的关系 得出了采用行波模式的热声驱动器在相 同条件下系统所需的临界温度梯度较小的结论 3 4 3 5 华中理工大学郭方中和邓晓辉等讨沦了热声转换过程的本质 并建立了回热 器的有源网络模型口 在此基础上 张晓青等人对回热器的特性参数 长度 水 力半径 板叠问隙 在驻波声场中的位置等 对热声系统性能的影响进行了分析 和优化 此后 他们还建立了热声热机的网络模型 并开发了一套计算程序 该 程序可以预测热声系统的声场 回热器等元件及系统的阻抗 以及制冷量 制冷 温度 热流 声功和c o p 等性能参数阱1 浙江大学的陈国邦和蒋建平等人也首次对影响热声驱动器的频率的因素进 行了理论分析 并采用流体阻抗法计算了多种典型缓冲器布置形式的热声系统谐 振频率 给出了降低热声驱动器输出声波频率的可行方法f 3 8 1 南京大学声学研究所韩飞等人对r i j k e 管的热声不稳定性进行了研究 他们 根据质量 动量和能量三个守恒方程 导出了蹦k e 管热声不稳定性的声学量之 间的关系并探讨了热声相互作用的非线性关系式以及声波在管末端的非线性辐 射条件 他们还研究了r i j k e 管热声振荡的非线性效应 发现非线性效应限制了管 内声波振幅的增长 并且导致了二次高阶谐波的产生 最后 他们从理论上探讨 了热声不稳定性的有源控制问题 3 9 4 0 中科院声学研究所戴根华 4 1 1 和南京大学声学研究所王本仁 缪国庆等 4 2 1 也对 热声制冷的理论和机理进行了分析和介绍 1 2 2 2 非线性理论 非线 4 5 h 线性声学的 个分支 在最近1 0 年中开始起步发展 4 3 5 2 比较具有代表性的是美困约翰一霍普金斯大学s k a r p o v 和a p r o s p e r e t t i 塑垩查兰型 竺 竺丝壅 等人的研究工作 4 4 4 7 1 他们在1 9 9 7 年以来发表的多篇学术论文中通过采用含非 线性项的连续性方程 动量方程以及能量方程 建立并逐步改进针对热声效应的 时域非线性数学摸型 s k a r p o v 和a p r o s p e r e t t i 等人所建立的非线性热声模型 可以定量描述微小压力波如何通过初始的线性增氏进入非线性区 并最终饱和于 有限的振幅 能够对热声系统的频率跳变想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 电声驱动和热声驱动的热声制冷机 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 还有待实验的验证 1 2 3 实验热声学 热声机械中加入板叠结构是热声学历史上的一个重要的里程碑 1 9 6 2 年 美国新墨西哥大学的c a r t e r 和他的同事发现在s o n d h a u s s 管中放入适当结构会提 高它的效率 这是自1 9 1 7 年以来在s o n d h a u s s 振动上所做的首次实验性工作 在此之后 实验热声学得n t 蓬勃发展 主要研究方向是热声驱动器和热声制冷 机的开发 下面分别介绍 1 2 3 1 热声驱动器 1 驻波型 在c a r t e r 的研究基础上 他的研究生f e l d m a n 又作了许多工作 他们研制出 了世界上第一台有显著声功输出的驻波型热声驱动器 输入6 0 0 w 的热量时产生 了2 7 w 的声能 8 0 年代初 l o sa l a m o s 国家实验室的热声研究小组在w h e a t l e y 领导下率先 开展了驱动器和制冷机的研制工作 w h e a t l e y 认为声谐振驻波和表面泵热效应的 组合能形成一种完全新型的发动机 由于其中的气体热声效应和固体介质与气流 之间所需的时均相位差都是通过自发不可逆过程一特别是由温差传热得到 因而 被称为自发发动机 n a t u r a le n g i n e s 其实 这正是热声发动机与赶特林发动机 之间最重要的区别 斯特林发动机需要提供外在的机械来保证压缩活塞 或原动 机 与膨胀活塞 或排出器 间合适的相位 热声发动机能自发调节相位 因此具有 减少部件 降低成本 结构简单 增强可靠性的作用 5 4 1 9 9 2 年 这个小组的s w i f t 等人在一台直径为1 2 8 m m 总氏为4 3 2 0 m m 的热 浙江大学硕士学位论文 声驱动器上采用1 3 8 m p a 的i i e 作为工质 产生6 3 0 w 声功 效率为9 压力 振幅为平均压力的3 1 0 5 5 他们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 发现在低振幅工况下 线性热声 理论的计算结果同测量值比较符合 而在高振幅工况下 则存在明显偏差 s w i f t 等人的研究工作验证了线性热声理论对于热声发动机小振幅工况良好的适用性 但同时也表明对于不满足线性化条件的大振幅工况需要发展非线性热声理论才 能给出合理的模拟计算结果 另外 他们还提出在热声驱动器中采用液体工质 比如液态钠 液态钟和丙烯等 5 山于液态工质具有密度大 普朗特数低等特点 以它们为工质的热声驱动器具有高效和大功率等特点 图12s w i f t 的驻波型热声发动机示意图 j 1 1 这一时期 日本大学的松原洋一 朱绍伟和周淑亮等人也正在从事热声驱动 器的实验研究 他们研制的驻波型驱动器在输入8 3 3 w 的功率时能输出2 6 w 的 声功 他们对起振温度 声波特性和热声振荡的影响因素等进行了分析和实验 着重研究了结构尺寸 包括谐振管的结构和丝网尺寸等 对热声效应以及损失特 性的影响情况 还利用小孔阀和消声器对驱动器的输出特性进行了测量 s 7 5 8 图1 3g a r r e t t 等人的太阳能热声发动机 声激光器 1 9 9 8 年 美国宾夕发尼亚州立大学的c h e n 和g a r r e t t 建成了世界上第一台太 阳能驱动的驻波型热声发动机限6 叭 见图1 3 他们以一4 0 c m 长的一端开口的 管作为谐振管 采用一个3 英尺直径的透镜将阳光聚焦到陶瓷热声板叠的一端进 行加热t 稳定工作时 产生1 4 波长模式的气体振动 频率为4 2 0 h z 在距开口 p 一 舞 浙江大学硕l 学位论文 端l m 处可测得1 2 0 d b 的声波 虽然该热声发动机是一台小型的演示性的实验装 置 但它验证了热声发动机以太阳能作为驱动源的可行性 与太阳能利用相结合 的热声技术更加显著的体现出清沽 环保 节能等点 在国内 浙江大学际国邦等人所开展的驻波型热声发动机研究工作是最具有 代表性的 6 1 6 8 他们建立了一台采用黄铜丝网热声板叠的对称型双边驱动热声发 动机 系统地研究了充气压力 加热功率 加热温度等操作参数 谐振管长度等 结构参数以及工质种类对热声发动机性能的影响1 6 1 j 针对丝网型板叠 在 m a t s u b a r a 等人优化丝网目数的基础上 进一步提出了丝网板叠填充率的概念 单 位长度所装填的丝网片数 对丝网板叠的轴向和横向传热以及流动阻力等具有综 合影响 6 实现了丝网板叠的量化装填 通过优化丝网板叠填充率提高了热声 发动机的性能 在实验研究中 观察到了热声发动机的起振和消振温度以及起振 和消振临界加热功率都存在滞后现象 针对该特性提出了辅以电加热的低品位能 源利用方案 采用电加热帮助系统起振 然后利用低品位能源维持振动 6 7 1 加热器热声板叠冷却器共振管 图1 4 驻波型热声乐缩机示意图 华中理工大学郭方中等和法国国家科研中心l i m s i 实验室的f r a n c o i s 等合 作 从9 0 年代初开始对热声驱动器进行研究 他们建成的热声驱动器原型机以 氮气为工质 加热温度为5 0 0 c 时 压力振幅可达平均压力的1 0 系统总长 1 9 m 振荡频率为8 6 h z 他们还建立了双传声器法声功测量系统1 6 9 1 此外 邓 晓辉等还进行了热声谐振管的实验研究 他们采用氮气作工质 在4 3 0 k 的温差 下获得频率为1 0 5 9 h z 波幅约为平均压力的1 5 的稳定压力波 7 0 1 近来董凯军 伍继浩等人y n 量和分析了气体充气压力 频率以及谐振管长度对系统整体性能 的影响 获得了最大为3 i w 的声能输出 利用此声能驱动制冷机 产生了2 5 的温差p l 7 2 2 行波型 本世纪七十年代末 c e p e r l e y 首先提出了行波型热声驱动器的构想 7 3 他意 识到斯特林热机回热器中的压力波和速度波的相位同行波声波的相位是一致的 即压力与速度同相位 并建议取消除工质气体外的所有运动部件 而用声波来控 0 木 一 一jf卜 善骼 塑坚查兰堡主堂生堡兰 制气体的运动和压力波动 c e p e r l e y 还提出应采用空隙尺寸更小的蓄热器代替驻 波型驱动器中采用的板叠结构 然而 c e p e r l e y 的实验热机却没有得到预料的声 功放大的效果 1 9 9 8 年 y a z a k i 等人根据c e p e r l e y 的设想搭建了一台新型热声驱动器并首 次在环路中观察到了行波形式的自发气体振荡 不过它的效率较低 ac e p e r l e y 和y a a k i 等都意识到这是由工质气体的低声阻抗造成的 低声阻抗会导致高声 速时大的粘性损失 图1 5y a z a k i 的环路行波型热声发动机 7 1 9 9 9 年 b a c k h a u s 和s w i f t 设计制作了一台新型行波型热声驱动器 7 5 7 6 1 如 图1 6 所示 这种新型驱动器既遵循了c e p e r l e y 的最初设想 又克服了前者未能 考虑到的环路结构中可能会发生的 g e d e o n 直流 以及由边界层效应引起的 瑞 利流 7 7 7 8 1 可逆的斯特林循环 其热力学效率能显著地超过内在不可逆的驻波系 统 由于后者经历的是内不可逆的热力循环 据b a c k h a u s 和s w i f t 报道达到o 3 0 的热力学效率 这比先前任何热声驱动器的效率都要高出5 0 以上 同典型的内 燃机相比 汽油内燃机的热力学效率为o 2 5 柴油机为o 4 0 可以说 行波型 热声驱动器的效率已经可以同它们相媲美了 a 热声斯特林发动机 b 环路结构示意图 图1 6 热声斯特林发动机及其环路结构 由于行波型驱动器取得了极大的成功 人们对它的研究热忱空前高涨 很多 塑坚查兰婴主堂堡垒兰 机构开展了这一方面的工作 如法国科研中心l i m s i 实验室的f r a n c o i s 同浙江 大学的陈国邦和金滔合作开展了研究工作 在理解b a c k h a u s s w i f t 系统的基础上 设计制作了一台行波型热声驱动器 初步的实验结果表明它具有比驻波型更低的 起振温度 更高的效率 圈内对行波型热声驱动器的研究除了上述的浙江大学与法国科研中心l i m s i 实验室的合作外 还有中科院低温中心的梁惊涛 刘海东 罗二仓等人 他们已 经搭建了一套行波型的同轴热声发动机试验装置 并且在不同充气压力和工质条 件下进行了试验 并且发现了对于不同介质 在一定条件下 出现了频率跳变现 象 本实验装置的阻性管和热缓冲管放置在回热器的中间 因此称为同轴型行波 热声发动机 有效减小了系统的尺寸 有利于小型化哆 图1 7 同轴型行波热声发动机 1 2 3 2 热声制冷机 热声制冷效应显然依赖于系统中声波的存在 因而首要工作是产生声波 产 生声波的方式很多 目前在热声制冷领域普遍采用的有电磁驱动 包括扬声器和 线性电机等 热声驱动 包括电加热 燃气 废热和太阳能驱动等 需要说明 的是 太阳能也是先转化成热 1 9 7 4 年 瑞士的p m e r k l i 和h t h o m a n n 首次演示了开口管子中声波制冷实 验 l 1 9 7 9 年 美国g e o r g e m a s o n 大学的c e p e r l