热声机理及双声源热声制冷机的研究

摘要

热声热机（制冷机）这一新型能量转换装置具有可靠性高、无环境污染、能源品位要求低，特别是无（或少有）运动部件等方面的突出优点，在动力工程、新能源利用、制冷及低温工程，以及现代载运工具（如航空航天、舰船、潜艇等）等诸多领域具有广泛的工程应用前景和发展潜力。近30年来，热声学包括热声热机工程一直受到众多学者和工程师们的青睐。 热声效应来源于系统的非线性性，其产生机理异常复杂。热声系统的启振、选频特性、振荡模态、稳定性、质量声流和时均能量声流等非线性效应都不能用传统的线性热声理论来解释，这就迫切须要发展新的非线性理论来探寻热声现象的本质。另一方面，各种不同的应用领域要求开发新型热声装置来满足工程化和商业应用的需要。结合热声机理的非线性理论研究和新型双声源热声制冷机的研制，探索热声自激振荡机理，分析系统的热动力学过程控制参数，为热声热机（制冷机）的工程应用奠定理论和实验基础。 论文的主要工作及结论： （1）利用Galerkin低谱模式方法，在相空间中求解热声系统的常微分方程组，得到了热声系统的时间周期解，获得了压力信号和温度信号的相轨迹即相图，探讨了热声自激振荡机理。结果表明：热声系统的稳定解具有极限环的稳定的非线性时间周期振荡。 （2）从流体控制方程出发，通过推演得到了热声系统的非线性参数激励方程。对该方程进行了网络类比分析，建立了热声系统的参数激励网络模型。该网络由一个时变流容器、一个流感器、一个非线性流阻和一个泵源组成。这个模型与非线性参数激励方程一致。采用“平均值”方法，求解了非线性参数振动方程（或网络方程）。采用Lyapunov函数法，分析了由极限环所描述的热声振荡的稳定性，得到了热声系统实现稳定的周期运动的条件。结果表明，热声网络的声振荡依赖于变容参数激励。 （3）根据量子力学基本原理对量子热声微循环性能优化进行了较深入的研究。把热声微团看作是许多服从量子力学规律的热声子，建立了热声微循环的量子力学理论模型。借助于二能级谐振子系统薛定谔方程的能量解以及Gibbs热平衡几率分布导出了量子热声微循环输出功率、热效率以及临界温度梯度的解析表达式，得到了无量纲输出功率和热效率的优化关系。量子热声微循环输出功率与热效率、高温端温度和低温端温度间都存在极大值。所得结果不但为热声理论提供了一种新的研究方法，而且拓宽了量子热力学的应用领域。 （4）论述了流体网络的基本概念和描述方法。从热声系统基本控制方程入手，构建了双声源热声制冷机各个部件的网络模型，得到了各个部件网络的传输矩阵。结合各部件网络模型和它们之间的传输矩阵，针对所研究的双声源热声制冷机，建立了整机网络模型。 （5）尝试利用模式动力学的原理来探讨和研究双声源热声制冷机。从分析整机系统各部件的声压入手，采用“四边形耦合逻辑”的方法，分析了两个相干态的相干耦联作用。根据模式的“生命条件”，得到了各部件的模式矩阵，耦联矩阵、结构矢量以及模式的聚集特征，最后得到了整机系统模式聚集特征的解析表达式。通过数值计算，得到了系统集群特性和其他参量之间的关系。 （6）搭建了一台双声源热声制冷机实验台架。对双声源热声制冷机各部件的结构参数、整机结构参数和工作声场进行了优化选择，并对双声源热声制冷机制冷温差与两个声源的相移、热声回热器位置、驱动频率和振幅等参数的关系进行了实验研究。

目录

主要符号表

第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景

1.2 热声效应

1.3 热声理论的进展

1.4 热声技术的发展

1.5 研究内容

第2章 热声系统的时间周期特性及参数激励研究

2.1 引 言

2.2 热声振荡的热动力学基础

2.3 热声系统的时间周期特性

2.4 热声系统参数激励

2.5 热声系统参数激励模型及稳定性分析

2.6 本章小结

第3章 基于量子力学的热声微循环输出功率与热效率优化研究

3.1 引 言

3.2 理论模型

3.3 输出功率和热效率

3.4 输出功率与热效率优化研究

3.5 Z目标函数优化

3.6 本章小结

第4章 双声源热声制冷机的网络模型

4.1 引 言

4.2 流体网络基础

4.3 双声源热声制冷机各部件的网络模型

4.4 双声源热声制冷机的整机网络模型

4.5 本章小结

第5章 双声源热声制冷机的模式动力学研究

5.1 引 言

5.2 系统模式的耦合关系

5.3 模式的数学描述

5.4 双声源热声制冷机的模式动力学研究

5.5 本章小结

第6章 双声源热声制冷机的设计和实验研究

6.1 引 言

6.2 双声源热声制冷机的设计

6.3 实验研究

6.4 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 总 结

7.2 创新点

7.3 展 望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间获得科研成果及参加的科研项目

附录A：热声回热器丝网填料参数表