基于热力学稳定性分析的热声系统起振机理研究

摘要

对于热声发动机而言,起振过程是涉及热声系统能否运行的关键问题;同时,降低热声系统起振温度也是实现其利用低品位热能的关键问题。目前对于热声起振机理的研究主要集中于起振过程的动力学特性,对于起振过程的热力学前提很少涉及,而热力学不稳定性是起振的基本前提。基于此背景,本文从非平衡态热力学的角度,将Glansdorff-Prigogine(G-P)稳定性判据引入起振研究中,通过考察热声发动机的热力学稳定性对其起振行为开展了研究,主要包含以下工作:
　　 1.定性分析热声系统起振过程中的非线性非平衡态热力学过程,提出通过考察系统定态中涨落与扰动的发展轨迹进行起振行为的判断,从而将G-P稳定性判据引入到热声系统起振研究中。分析了利用G-P判据进行稳定性分析可能存在的问题及相应的实现方法,并推导了针对无化学反应理想气体工质一元系统的超熵计算公式。
　　 2.针对一台双边驱动驻波型热声发动机,编写了超熵的计算模块并计算了超熵以及超熵产随时间演变曲线。考察了通过数值计算进行热声发动机定态稳定和不稳定两种情况下超熵以及超熵产曲线的特点,分析了目前数值超熵产问题中计算误差的存在对定态及定态稳定性的影响等困难,提出了一种处理手段,据此完善了基于G-P判据的热声发动机热力学稳定性分析及起振温度判定的方法。
　　 3.利用本文发展的稳定性判定方法,针对一台双边驱动驻波型热声发动机,分析了平均工作压力对热声发动机起振温度的影响,并通过同实验数据对比,验证了此方法的可行性。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 热声起振机理的研究进展

1.2.1 动力学研究进展

1.2.2 热力学研究进展

1.3 本文工作

第二章 G-P稳定性判据及其离散数值方法分析

2.1 热声起振过程涉及的非平衡态热力学

2.2 G-P稳定性判据

2.3 G-P稳定性判据的计算实现方法

2.3.1 解析式法的稳定性判断

2.3.2 离散数值计算方法

2.4 本章小结

第三章 基于G-P稳定性判据的热声发动机稳定性分析

3.1 热声发动机的CFD模拟

3.2 数学模型与计算流程

3.3 结果分析

3.4 本章小结

第四章 实验验证

4.1 实验装置

4.2 模拟计算

4.3 计算结果及误差分析

4.3.1 计算结果及分析

4.3.2 误差分析

4.4 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 本文创新点

5.3 展望

参考文献

附录 计算中涉及的UDFsC程序

攻读硕士期间取得的科研成果

致谢