热声发动机的回热器特性研究

摘要

热声发动机是一种利用热声效应进行工作的新型动力机械。整机没有机械运动部件，可采用热能驱动，常用工质为惰性气体，具有结构简单、可靠性高、环境友好等突出优点。由其驱动的制冷、发电等系统具有广阔的应用前景。
　　 回热器(或板叠)是热声发动机中实现热功转化的场所，因此提高回热器性能始终是研究者不懈追求的目标。纵观热声发展历史，每一次热声技术的飞跃都伴随着研究者对回热器不断深入的认识和革新。本文主要围绕行波和驻波热声发动机中的回热器(板叠)特性开展理论和实验研究，取得的主要进展如下：
　　 1、行波热声发动机中多段式回热器的概念以及CFD模拟优化。
　　 针对现有斯特林热声发动机系统存在的回热器热损失和动力损失，结合工质物性随温度非线性变化的特点，本文提出多段式回热器的概念。采用CFD计算方法以及DeltaE软件对现有的热声斯特林发动机进行建模，模拟了以氮气为工质、充气压力为2MPa和加热器温度为766K时的压力振幅、速度振幅以及温度的系统分布。在CFD模拟中，除回热器采用层流模型外，整机采用湍流模型。通过上述两种方法得到的计算结果与实验结果对比发现：(1)CFD和DeltaE的计算结果均表明，在相同的条件下，本文提出的多段式回热发动机的性能均高于原型发动机。(2)CFD计算得到原斯特林热声热机在特定位置处(声容、谐振管入口、锥形谐振管入口)的压力振幅结果较线性热声软件DeltaE获得的结果更加接近实验值。(3)CFD计算得到起振后回热器的轴向温度呈非线性分布，DeltaE的结果为线性分布，CFD的结果与实验测量到的温度分布情况更加吻合，说明CFD方法对热声系统的温度分布具有更好的预测作用。同时，CFD计算得到多段式回热器轴向温度分布较原斯特林回热器更趋于线性分布。说明多段式回热器有助于减小回热器内部直流损失。本文还对CFD仿真得到的整机模型三通处的流场进行分析，发现该处流场由于压力和速度的剧烈变化造成一个周期内流态出现了边界层分离、漩涡等复杂流态，造成较大能量损失。这为进一步提高热声发动机性能提供了改进方向。
　　 2、驻波热声发动机丝网板叠的输出特性和起消振时序的实验研究。
　　 本文利用DeltaE设计了一台小型丝网型驻波热声发动机，搭建了实验台。初步实验表明，采用丝网板叠可获得较好的性能，18目丝网时热声发动机以氮气为工质在充气压力为2.2MPa可获得0.2017MPa的压力振幅。在此基础上，开展了不同板叠参数下整机输出特性的实验研究，结果表明一定参数范围内的丝网板叠，对应的最优工作区间不同：低充气压力下，低目数的丝网对应的加热器温升速率小、加热功率范围宽，可获得最优的整机输出性能；随着充气压力的升高，高目数丝网时的加热器温升速率逐渐减小，加热功率范围变宽，可获得最优的整机输出性能。此外实验观察了各种丝网目数下驻波热声发动机起消振过程的压力与频率的时序规律，即：起振时：频率先达到本征频率，压力振幅仅有小幅上升，压力振幅在能量继续累积到一定程度时才大幅激增；消振时：压力振幅先大幅下降，然后本征频率消失。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 热声热机的研究发展简史

1.2.1 热声现象的发现

1.2.2 驻波热声发动机

1.2.3 行波热声发动机

1.2.4 串级热声发动机

1.3 热声回热器研究历史及现状

1.3.1 国外研究的发展过程

1.3.2 国内研究的发展过程

1.4 本文的主要工作

第2章 热声理论及其数值方法

2.1 前言

2.2.1 线性热声理论

2.2.2 DeltaE

2.2 非线性热声理论

2.3.1 非线性热声理论

2.3.2 CFD

2.3 本章小结

第3章 斯特林热声发动机回热器特性的CFD研究

3.1 前言

3.2 传统回热器

3.2.1 物理模型

3.2.2 数学模型

3.2.3 CFD模拟

3.3 多段式回热器模型

3.3.1 多段式模型参数的确定

3.3.2 CFD模拟

3.4 本章小结

第4章 驻波热声发动机板叠特性的实验研究

4.1 前言

4.2 驻波热声发动机的DeltaE模型

4.2.1 模型的建立及调试

4.2.2 DeltaE设计结果

4.3 驻波热声发动机的实验研究

4.3.1 实验系统

4.3.2 输出性能的结果分析

4.3.3 起消振过程的结果分析

4.4 本章小结

第5章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

参考文献

附录 攻读硕士学位期间主要成果

致谢