Gedeon聲直流對(duì)熱聲轉(zhuǎn)換效應(yīng)的影響機(jī)制及其抑制方法研究
發(fā)布時(shí)間：2020-12-05 19:47
熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)是基于熱聲效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置,具有運(yùn)行可靠性高、壽命長(zhǎng)以及環(huán)保性高等優(yōu)點(diǎn)。幾十年來(lái),熱聲理論以及熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)的研究都已經(jīng)取得了一些突破性進(jìn)展。行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)由于工質(zhì)微團(tuán)所經(jīng)歷的熱聲轉(zhuǎn)換熱力循環(huán)本征可逆,理論熱效率較高,是近年來(lái)熱聲領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但是行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)通常具有閉合環(huán)路結(jié)構(gòu),在環(huán)路中循環(huán)流動(dòng)的Gedeon聲直流是影響其熱效率的一個(gè)至關(guān)重要的因素。為了探索Gedeon聲直流對(duì)熱聲轉(zhuǎn)換效率的影響機(jī)制,同時(shí)高效低損地對(duì)其進(jìn)行抑制以提高系統(tǒng)的熱效率,本文針對(duì)以下幾個(gè)方面開(kāi)展了理論和實(shí)驗(yàn)研究工作:（1）Gedeon聲直流對(duì)回?zé)崞鳠崧曓D(zhuǎn)換效率的影響機(jī)制與特性分析。以新晉發(fā)展的四級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)以及雙向進(jìn)氣型脈管制冷機(jī)為例,基于熱聲學(xué)理論建立了數(shù)值模型,編寫(xiě)了模擬計(jì)算程序,分析了 Gedeon聲直流對(duì)回?zé)崞鳠崧曓D(zhuǎn)換效率的影響機(jī)制。本文的研究工作著眼于Gedeon聲直流所攜帶的能流是當(dāng)?shù)販囟鹊暮瘮?shù),同時(shí)Gedeon聲直流攜帶的能流又導(dǎo)致溫度梯度的顯著變化,本文著力揭示二者之間的相互作用,闡明了Gedeon聲直流通過(guò)改變回?zé)崞髦械臏囟确植歼M(jìn)而影響熱聲轉(zhuǎn)換效率的作用機(jī)制。（...
【文章來(lái)源】：浙江大學(xué)浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁(yè)數(shù)】：172 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【部分圖文】：
四種典型的熱聲振蕩春聞
接下來(lái)對(duì)行波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的研究進(jìn)展進(jìn)行介紹。??行波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的概念最早是Ｃｅｐｅｒｌｅｙ在１９７９年提出［７（）］。但是，直到１９９８年，日本??的Ｙａｚａｋｉ等人建立了一臺(tái)如圖１．２所示的環(huán)路行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)［７１］，自激聲振蕩才在環(huán)路系??統(tǒng)中成功的被觀察到。穩(wěn)定性邊界條件觀測(cè)表明該系統(tǒng)的起振溫度明顯低于駐波型熱聲??發(fā)動(dòng)機(jī)。不過(guò)由于阻抗匹配的問(wèn)題，該系統(tǒng)的熱效率仍然較低，以一個(gè)大氣壓的空氣為??工質(zhì)時(shí)，僅達(dá)到了?１．０２左右壓比。同時(shí)，Ｙａｚａｋｉ型回路中存在的其它問(wèn)題（比如Ｇｅｄｅｏｎ??聲直流和Ｒａｙｌｅｉｇｈ聲值流）也是導(dǎo)致系統(tǒng)效率較低的原因。??｜ＬＤＶ｜?．ｒ?板疊??玻璃管ｊ；?ｊｉ力傳感器??／?％?二?＇二??換熱器??圖１．２環(huán)路行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)［７１］??１９９９年，Ｂａｃｋｈａｕｓ和Ｓｗｉｆｔ對(duì)熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)［１２’７２］的成功研制是行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)研??究中的突破性進(jìn)展，如圖１．３所示。他們將回?zé)崞鬟B同三個(gè)換熱器（包括主副冷卻器以及??加熱器）放置在環(huán)路內(nèi)的行波聲場(chǎng)中，并將環(huán)路連接到駐波諧振管的一端，這獨(dú)特的設(shè)??計(jì)保證了回?zé)崞魈幱谛胁晥?chǎng)并且聲阻抗較高。同時(shí)，樣機(jī)成功研制的重要因素還應(yīng)該??歸功于對(duì)于聲直流（包括Ｇｅｄｅｏｎ聲直流和Ｒａｙｌｅｉｇｈ聲直流）的抑制。在實(shí)現(xiàn)回?zé)崞魈幐呗??阻抗以及對(duì)聲直流進(jìn)行抑制后，該樣機(jī)的熱效率可達(dá)０．３?（相對(duì)卡諾效率為０．４２），其效??率足以媲美傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)（０．２５？０．４）和活塞驅(qū)動(dòng)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)（０．２０？０．３８）
中科院理化所的羅二倉(cāng)等人通過(guò)對(duì)比行波或駐波模式的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)認(rèn)為聲功流率的臨界溫度梯度與流道尺寸和工作介質(zhì)有關(guān)，也提出了一種波聲場(chǎng)工作的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)方案［７３］，其結(jié)構(gòu)與熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)相似示。２００５年，羅二倉(cāng)等人研制成了具有錐形諧振管的高壓力比、能量聚焦熱，通過(guò)改變諧振管的直徑，抑制非線性波的產(chǎn)生，減少了粘性耗散。在對(duì)進(jìn)行優(yōu)化后，當(dāng)采用１．５?ＭＰａ的氮?dú)鉃楣べ|(zhì)，加熱功率為３?ｋＷ（加熱溫度為６７現(xiàn)了?１．４以上的最大壓比［７４，７５］。同時(shí)，戴巍等人還提出了聲學(xué)放大器的概念，到熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)的研究中，在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)證實(shí)［７５］。湯珂等人通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究了聲壓放大器尺寸對(duì)駐波熱聲系統(tǒng)７６，７７］。李青等人在小型高頻熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)方面也進(jìn)行了諸多研究［７８，７９］。??
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]應(yīng)用于低溫流體流量計(jì)的多孔板性能數(shù)值研究（英文）[J]. Hai-fei LIU,Hong TIAN,Hong CHEN,Tao JIN,Ke TANG. Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2016(03)
[2]四級(jí)環(huán)路行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)起振特性分析[J]. 金滔,楊睿,湯珂. 工程熱物理學(xué)報(bào). 2015(08)
[3]氣-液雙作用行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)特性的研究[J]. 李東輝,羅二倉(cāng),陳燕燕,吳張華. 工程熱物理學(xué)報(bào). 2013(12)
[4]氣-液雙作用行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)值模擬[J]. 李東輝,張麗敏,吳張華,羅二倉(cāng). 低溫工程. 2012(04)
[5]弱非線性熱聲理論模型的建立及簡(jiǎn)化[J]. 高波,羅二倉(cāng),陳燕燕,戴巍,胡劍英,喻力弘. 工程熱物理學(xué)報(bào). 2011(08)
[6]Lumped parameter model for resonant frequency estimation of a thermoacoustic engine with gas-liquid coupling oscillation[J]. Ke TANG,Tian LEI,Xiao-gang LIN,Tao JIN,Yu ZHANG (Institute of Refrigeration and Cryogenics,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China). Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2011(03)
[7]雙聲源驅(qū)動(dòng)熱聲系統(tǒng)的理論聲場(chǎng)重構(gòu)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 周立華,謝秀娟,李雷,李青. 低溫工程. 2010(02)
[8]熱聲熱機(jī)技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 周遠(yuǎn),羅二倉(cāng). 機(jī)械工程學(xué)報(bào). 2009(03)
[9]行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中Gedeon直流定量研究[J]. 孫大明,邱利民,王波,譚永翔. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版). 2007(06)
[10]自激振蕩熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)數(shù)值模擬研究[J]. 凌虹,羅二倉(cāng),戴巍,胡劍英. 聲學(xué)學(xué)報(bào). 2006(04)
博士論文
[1]熱聲驅(qū)動(dòng)脈管制冷特性的理論與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 湯珂.浙江大學(xué) 2005
[2]熱聲器件的尋優(yōu)及其與熱聲熱機(jī)系統(tǒng)的匹配[D]. 涂虬.華中科技大學(xué) 2004
本文編號(hào)：2899989
【文章來(lái)源】：浙江大學(xué)浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁(yè)數(shù)】：172 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【部分圖文】：
四種典型的熱聲振蕩春聞
接下來(lái)對(duì)行波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的研究進(jìn)展進(jìn)行介紹。??行波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的概念最早是Ｃｅｐｅｒｌｅｙ在１９７９年提出［７（）］。但是，直到１９９８年，日本??的Ｙａｚａｋｉ等人建立了一臺(tái)如圖１．２所示的環(huán)路行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)［７１］，自激聲振蕩才在環(huán)路系??統(tǒng)中成功的被觀察到。穩(wěn)定性邊界條件觀測(cè)表明該系統(tǒng)的起振溫度明顯低于駐波型熱聲??發(fā)動(dòng)機(jī)。不過(guò)由于阻抗匹配的問(wèn)題，該系統(tǒng)的熱效率仍然較低，以一個(gè)大氣壓的空氣為??工質(zhì)時(shí)，僅達(dá)到了?１．０２左右壓比。同時(shí)，Ｙａｚａｋｉ型回路中存在的其它問(wèn)題（比如Ｇｅｄｅｏｎ??聲直流和Ｒａｙｌｅｉｇｈ聲值流）也是導(dǎo)致系統(tǒng)效率較低的原因。??｜ＬＤＶ｜?．ｒ?板疊??玻璃管ｊ；?ｊｉ力傳感器??／?％?二?＇二??換熱器??圖１．２環(huán)路行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)［７１］??１９９９年，Ｂａｃｋｈａｕｓ和Ｓｗｉｆｔ對(duì)熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)［１２’７２］的成功研制是行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)研??究中的突破性進(jìn)展，如圖１．３所示。他們將回?zé)崞鬟B同三個(gè)換熱器（包括主副冷卻器以及??加熱器）放置在環(huán)路內(nèi)的行波聲場(chǎng)中，并將環(huán)路連接到駐波諧振管的一端，這獨(dú)特的設(shè)??計(jì)保證了回?zé)崞魈幱谛胁晥?chǎng)并且聲阻抗較高。同時(shí)，樣機(jī)成功研制的重要因素還應(yīng)該??歸功于對(duì)于聲直流（包括Ｇｅｄｅｏｎ聲直流和Ｒａｙｌｅｉｇｈ聲直流）的抑制。在實(shí)現(xiàn)回?zé)崞魈幐呗??阻抗以及對(duì)聲直流進(jìn)行抑制后，該樣機(jī)的熱效率可達(dá)０．３?（相對(duì)卡諾效率為０．４２），其效??率足以媲美傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)（０．２５？０．４）和活塞驅(qū)動(dòng)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)（０．２０？０．３８）
中科院理化所的羅二倉(cāng)等人通過(guò)對(duì)比行波或駐波模式的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)認(rèn)為聲功流率的臨界溫度梯度與流道尺寸和工作介質(zhì)有關(guān)，也提出了一種波聲場(chǎng)工作的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)方案［７３］，其結(jié)構(gòu)與熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)相似示。２００５年，羅二倉(cāng)等人研制成了具有錐形諧振管的高壓力比、能量聚焦熱，通過(guò)改變諧振管的直徑，抑制非線性波的產(chǎn)生，減少了粘性耗散。在對(duì)進(jìn)行優(yōu)化后，當(dāng)采用１．５?ＭＰａ的氮?dú)鉃楣べ|(zhì)，加熱功率為３?ｋＷ（加熱溫度為６７現(xiàn)了?１．４以上的最大壓比［７４，７５］。同時(shí)，戴巍等人還提出了聲學(xué)放大器的概念，到熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)的研究中，在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)證實(shí)［７５］。湯珂等人通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究了聲壓放大器尺寸對(duì)駐波熱聲系統(tǒng)７６，７７］。李青等人在小型高頻熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)方面也進(jìn)行了諸多研究［７８，７９］。??
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]應(yīng)用于低溫流體流量計(jì)的多孔板性能數(shù)值研究（英文）[J]. Hai-fei LIU,Hong TIAN,Hong CHEN,Tao JIN,Ke TANG. Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2016(03)
[2]四級(jí)環(huán)路行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)起振特性分析[J]. 金滔,楊睿,湯珂. 工程熱物理學(xué)報(bào). 2015(08)
[3]氣-液雙作用行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)特性的研究[J]. 李東輝,羅二倉(cāng),陳燕燕,吳張華. 工程熱物理學(xué)報(bào). 2013(12)
[4]氣-液雙作用行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)值模擬[J]. 李東輝,張麗敏,吳張華,羅二倉(cāng). 低溫工程. 2012(04)
[5]弱非線性熱聲理論模型的建立及簡(jiǎn)化[J]. 高波,羅二倉(cāng),陳燕燕,戴巍,胡劍英,喻力弘. 工程熱物理學(xué)報(bào). 2011(08)
[6]Lumped parameter model for resonant frequency estimation of a thermoacoustic engine with gas-liquid coupling oscillation[J]. Ke TANG,Tian LEI,Xiao-gang LIN,Tao JIN,Yu ZHANG (Institute of Refrigeration and Cryogenics,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China). Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2011(03)
[7]雙聲源驅(qū)動(dòng)熱聲系統(tǒng)的理論聲場(chǎng)重構(gòu)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 周立華,謝秀娟,李雷,李青. 低溫工程. 2010(02)
[8]熱聲熱機(jī)技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 周遠(yuǎn),羅二倉(cāng). 機(jī)械工程學(xué)報(bào). 2009(03)
[9]行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中Gedeon直流定量研究[J]. 孫大明,邱利民,王波,譚永翔. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版). 2007(06)
[10]自激振蕩熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)數(shù)值模擬研究[J]. 凌虹,羅二倉(cāng),戴巍,胡劍英. 聲學(xué)學(xué)報(bào). 2006(04)
博士論文
[1]熱聲驅(qū)動(dòng)脈管制冷特性的理論與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 湯珂.浙江大學(xué) 2005
[2]熱聲器件的尋優(yōu)及其與熱聲熱機(jī)系統(tǒng)的匹配[D]. 涂虬.華中科技大學(xué) 2004
本文編號(hào)：2899989
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