Gedeon声直流对热声转换效应的影响机制及其抑制方法研究

摘要

热声发动机是基于热声效应将热能转化为机械能的装置，具有运行可靠性高、寿命长以及环保性高等优点。几十年来，热声理论以及热声发动机样机的研究都已经取得了一些突破性进展。行波热声发动机由于工质微团所经历的热声转换热力循环本征可逆，理论热效率较高，是近年来热声领域的研究热点。但是行波热声发动机通常具有闭合环路结构，在环路中循环流动的Gedeon声直流是影响其热效率的一个至关重要的因素。为了探索Gedeon声直流对热声转换效率的影响机制，同时高效低损地对其进行抑制以提高系统的热效率，本文针对以下几个方面开展了理论和实验研究工作： （1）Gedeon声直流对回热器热声转换效率的影响机制与特性分析。以新晋发展的四级行波热声发动机以及双向进气型脉管制冷机为例，基于热声学理论建立了数值模型，编写了模拟计算程序，分析了Gedeon声直流对回热器热声转换效率的影响机制。本文的研究工作着眼于Gedeon声直流所携带的能流是当地温度的函数，同时Gedeon声直流携带的能流又导致温度梯度的显著变化，本文着力揭示二者之间的相互作用，阐明了Gedeon声直流通过改变回热器中的温度分布进而影响热声转换效率的作用机制。 （2）喷射泵在交变流场中的阻抗特性以及诱导时均压降的性能分析。可诱导时均压降的喷射泵是一种常用于抑制Gedeon声直流的装置。针对倒角和尖角两种喷射泵形式，通过数值模拟研究了喷射泵内以及端口邻近区域交变流场的特性，分析其一阶交变流动和时均体积流的阻抗特性。基于模拟结果，开展了交变流场中喷射泵诱导时均压降的实验研究，重点分析了结构参数（包括无量纲倒角、倾斜角、喷射泵的大小截面面积比和喷射泵的小截面与管道截面的面积比）以及状态参数（包括频率和充气压力）对喷射泵性能的影响，为喷射泵的优化设计提供了依据。与传统观点认为对喷射泵的小截面边缘进行倒角有利于提高喷射泵诱导时均压降不同，本文的研究结果表明尖角喷射泵诱导时均压降的能力更强，且其方向与倒角喷射泵诱导的方向相反。不过，采用倒角喷射泵能有效地降低沿流道扩展方向的压降，这有利于提高喷射泵的效率。同时基于实验和模拟研究，探讨了准静态假设对于分析交变流体流经喷射泵的流动特性的适用范围。 （3）喷射泵抑制行波热声发动机中Gedeon声直流的实验研究。以四级行波热声发动机为研究对象，首先探讨了Gedeon声直流对无负载热声发动机系统性能的影响，在此基础上，开展了尖角和倒角两种形式的喷射泵抑制系统中Gedeon声直流的研究。在实验中发现，由于四级行波热声发动机变截面处连接锥管的存在，系统中存在的声直流远大于理论Gedeon声直流量，且两者方向相反。针对四级行波热声发动机的机型特点对喷射泵所需诱导的时均压降进行预测，通过对比预测值与实验值，验证了预测方式的合理性。加入基于预测值设计的喷射泵对Gedeon声直流进行抑制后，当单级加热功率为700W时，压力振幅提升了17.8%。此外，本文还对驱动负载的四级行波热声发动机进行了实验研究。结果表明，当单级负载的阻抗为1.16×108–2.98×107i Pa·s/m3时，采用喷射泵对声直流进行抑制后，系统热效率提升了64.9%，对应的相对卡诺效率提升了57.3%。

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