热声发动机热动力学特性的数值模拟及其重要改进—聚能型行波热声发动机

• 作 者: 凌虹
• 机 构: 中国科学院理化技术研究所
• 出 处: 中国科学院理化技术研究所
• 发表日期: 2005年期
• 关键词: 热声发动

热声热机是一种基于热声效应的新型热力机械，它具有环保和高可靠性等突出优点，同时也存在获得高效率的巨大潜力。近年来，随着热声发动机和热声制冷机研究的迅速进展，热声机械已经成为能源和低温领域的一个重要研究热点。为进一步挖掘其高效率的潜能，热声热机还存在着许多有待深入研究的机理问题。围绕热声发动机的工作机理和关键技术，作者主要对以下几个方面开展了研究工作，并取得重要进展：　　
1.基于线性热声理论，引进复频率概念，建立了自激振荡热声发动机的数值模拟方法。在此基础上，分别编写了驻波、行波及串级型三类热声发动机的整机模拟程序，并对它们的内部工作机理和热动力学性能进行了深入的分析。研究结果表明，该数值模拟方法在定性上很好地揭示了各类热声发动机的工作机理，在定量上也有较好的符合。特别地，针对行波热声斯特林发动机的工作性能进行了多参数的数值实验，获得它们对行波发动机系统的影响规律，重点研究了发动机谐振器的结构对系统的影响，为实验台的优化设计奠定了基础。　　
2.将变径管“共振强声”(Resonant Macrosonic，RM)的概念引进热声设计，提出并研制了采用锥形谐振管的聚能型行波热声发动机，并以此为平台进行了系统的实验工作。分析和实验表明，引进锥形谐振器以后抑制了管中的非线性饱和效应，从而大大强化了发动机的热声效应，使同样加热条件下的基频振幅得到很大提高。以氦气为工质达到了1.30的压比(@1.52MPa)，是目前热声发动机研究中获得的最高压比。　　
3.系统地开展了行波热声发动机输出特性的实验研究，总结了多种运行参数对其影响规律，获得了该行波热声发动机的负载特性曲线。特别地，在压力3.0MPa下，得到的最高净输出效率为17.2％，输出声功为259W；输出的最大声功451W，输出效率15.3％。　　
自激振荡热声发动机模拟算法以及聚能型热声斯特林发动机实验台的研制成功，推进了热声热机研究的发展。但是，由于其工作机理的复杂性，仍有许多问题需要作进一步深入研究。