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气-液双作用行波热声发动机的数值模拟李东辉;张丽敏;吴张华;罗二仓【摘要】提出了一种兼具传统热声发动机使用寿命长和斯特林发动机功率密度高等优点的气-液双作用行波热声发动机,将3台或4台热声发动机通过注有液体的U 型谐振管连成气-液耦合振荡的环路,每台发动机都能工作在比较理想的行波声场.对无负载情况和外接不同负载情况下3机或4机串联成环路的气-液双作用行波热声发动机进行了模拟计算,同时模拟分析了发动机个别参数不一致时对系统性能产生的影响.%A double-acting traveling-wave thermoacoustic engine with gas-liquid coupling oscillation was proposed, which had both advantage of traditional thermoacoustic engine' s long-life time and Stirling engine' s high power density. Three or four thermoacoustic engines were combined into a loop with U-type liquid resonator and each could work in an ideal traveling-wave sound field. Then, double-acting traveling-wave thermoacoustic engine with gas-liquid coupling oscillation was numerical simulated with loaded and non-loaded conditions. Finally, the influence of system' s parameter inconsistency on thermoacoustic conversion performance was analyzed.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2012(000)004【总页数】8页(P1-7,12)【关键词】双作用;行波热声发动机;气液耦合;输出特性;不一致性【作者】李东辉;张丽敏;吴张华;罗二仓【作者单位】中国科学院低温工程学重点实验室北京 100190;中国科学院研究生院北京100049;中国科学院低温工程学重点实验室北京 100190;中国科学院研究生院北京100049;中国科学院低温工程学重点实验室北京 100190;中国科学院低温工程学重点实验室北京 100190【正文语种】中文【中图分类】TB6511 引言热声发动机因其无机械运动部件、运行稳定、使用寿命长、对环境友好等优点受到人们的广泛关注。
行波型热声发动机的二维数值模拟研究解丹;张世强;赵巍;李洪宇【摘要】基于线性热声理论与动力学基本方程建立了热声发动机的二维一阶频域数学模型,并根据有限元中的加权余量法将数学模型转化为便于求解的矩阵形式.运用MATLAB软件自主编程,对行波型热声发动机系统内的声场特征进行了二维数值模拟.结果表明,在谐振管内,一阶各波动量呈现良好的正弦曲线分布现象.在回热器单个流道内,从冷端到热端,由于存在较大的阻抗,压力振幅与温度振幅有明显的下降,而速度振幅则逐渐升高.【期刊名称】《辽宁科技大学学报》【年(卷),期】2019(042)002【总页数】7页(P142-148)【关键词】热声发动机;数值模拟;有限元;加权余量法【作者】解丹;张世强;赵巍;李洪宇【作者单位】辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山 114051;辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山 114051;辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山114051;辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山 114051【正文语种】中文【中图分类】TK402热声发动机是基于热声技术发展起来的一种新型热机，与传统的发动机相比，有不可比拟的优点。
热声发动机结构简单并且无运动部件，从根本上解决了因运动部件带来的磨损与振动问题，保障了其运行的稳定性[1]。
采用的工质环保、清洁、无污染[2]。
利用工业余热、太阳能、风能等低品位能源作为声功转化的来源，提高了能源的利用效率，达到了节能减排的效果[3]。
热声发动机包括行波型热声发动机与驻波型热声发动机[4-5]。
相比于驻波型热声发动机，行波型热声发动机具有更高的热功转化效率。
因此，行波型热声发动机的应用与发展成为近十几年的研究热点[6]。
另外，在数值模拟方面，很多研究工作着重求解气体介质在热声系统内轴向上的压力与体积流率的分布情况[7-8]，并未将轴向波动速度与径向波动速度分别进行求解。
为了更加清楚地了解热声系统内的声场分布特性，为非线性热声理论[9]的发展提供参考依据，本文在一维模型上进行拓展，同时考虑了轴向与径向各波动量的分布现象，建立了二维频域数学模型以及有限元求解模型，并运用MATLAB软件自主编程对行波型热声发动机系统内的声场特性进行了模拟研究，获得了系统内一阶波动量的分布情况，着重对内谐振管与回热器的热声声场分布进行了详细分析。
驻波型热声发动机的数值模拟
凌虹;罗二仓;吴剑峰;杨梅;李晓明;吴张华;黄云
【期刊名称】《低温与超导》
【年(卷),期】2003(031)002
【摘要】通过对驻波发动机热声边界条件的分析,给出了一种用"打靶法"进行迭代运算的循环模式,从而避开繁重的矩阵运算,计算效率得到有效地提高.最后以一个实例证明本方法计算结果与实验吻合较好.
【总页数】5页(P11-14,25)
【作者】凌虹;罗二仓;吴剑峰;杨梅;李晓明;吴张华;黄云
【作者单位】中国科学院理化技术研究所,北京,100080;中国科学院理化技术研究所,北京,100080;中国科学院理化技术研究所,北京,100080;浙江大学制冷与低温工程研究所,杭州,310027;浙江大学制冷与低温工程研究所,杭州,310027;中国科学院理化技术研究所,北京,100080;中国科学院理化技术研究所,北京,100080
【正文语种】中文
【中图分类】TM3
【相关文献】
1.行波型热声发动机的数值模拟实验 [J], 李晓明;梅宏昆;高鹏;孔晓莉
2.行波型热声发动机谐振管的调相作用 [J], 谢秀娟;李青;李正宇;李强
3.带压力放大器的驻波型热声发动机驱动RC负载 [J], 寿琳;陈国邦;曹卫华;包锐;汤珂;裘圆
4.基于DeltaE的驻波型热声发动机设计方法 [J], 李艳锋;邱利民;赖碧翚;孙大明;王
波
5.行波型热声发动机的二维数值模拟研究 [J], 解丹;张世强;赵巍;李洪宇
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实验六行波热声发动机性能测试
一、实验目的
1、了解热声发动机的工作原理；
2、熟悉热声发动机试验装置，了解其主要部件的结构和功能；
3、测量压力振幅、温度和加热功率，了解热声发动机的起振过程。
二、实验原理
热声发动机是采用热声效应来工作的发动机。
热声效应是把热能转化为声能（或者相反过程）的特殊物理效应。
由于声能是机械能，它可以驱动脉管制冷机或者小型发电机进行工作。
回热器是热声发动机的核心部件，它是发动机中进行热功转换的地方。
热声发动机要工作必须满足两个条件：首先是在回热器中建立足够的温度梯度（即温度梯度大于临界温度梯度），其次结构和尺寸满足声学条件以建立合适的声场。
热声发动机的功能相当于线性压缩机，然而与常规压缩机相比，热声发动机有以下的优点：所需驱动源为低品位热源，可利用工业废热及太阳能驱动、热效率较高；2) 系统无任何运动部件，结构简单、制作及维护成本低，寿命长；3) 热声压缩机内部采用氮气或氦气等对环境无害的工质。
行波热声发动机内部结构图
三、实验步骤
1、对热声发动机抽真空，置换，然后充入工质；
2、开启冷却水路，检查实验装置的各部件连接、测量系统、各仪表、电源是否正常工作；
3、打开测试系统的各个仪表和界面；
4、开启加热器电源，调节调压器，使加热器在输入600W加热功率；
5、观察起振现象，记录起振温度和起振过程；
6、测量热声发动机输出压力振幅随着加热功率的变化曲线。
热声热机系统振荡频率的理论计算与实验验证
涂虬;李青;刘钧霞;吴锋;郭方中
【期刊名称】《低温工程》
【年(卷),期】2003(000)002
【摘要】以热声发动机为例采用网络模型计算了热声热机系统的振荡频率,得出振荡频率为复频率,其实部代表实际频率,虚部表示压力幅值的衰减程度.对热机系统在各种不同的情况下(包括不同大小的谐振腔、板叠间距、气体静压、系统长度)进行了数值计算,理论计算值与实验结果能很好的吻合.
【总页数】7页(P8-14)
【作者】涂虬;李青;刘钧霞;吴锋;郭方中
【作者单位】华中科技大学能源与动力工程学院低温实验室,武汉,430074;中国科学院理化所,北京,100080;华中科技大学能源与动力工程学院低温实验室,武
汉,430074;武汉化工学院物理热能系,武汉,430074;华中科技大学能源与动力工程学院低温实验室,武汉,430074
【正文语种】中文
【中图分类】O4
【相关文献】
1.双声源驱动热声系统的理论声场重构与实验验证 [J], 周立华;谢秀娟;李雷;李青
2.热声斯特林热机中行波圈子系统特性的实验研究 [J], 禹智斌;李青;谢秀娟;伍继浩
3.热声热机系统的测量与实验研究 [J], 伍继浩;李青;张晓青
4.行波热声热机的理论与实验研究进展 [J], 李银宾;谢海波;牛越;夏淯博;刘益才
5.热声热机实验研究进展 [J], 李照龙;刘益才;陈丽新;颜鹏;谢海波
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三级涡流器环形燃烧室化学反应流场的数值研究
雷雨冰;赵坚行
【期刊名称】《推进技术》
【年(卷),期】2005(26)3
【摘要】在三维曲线坐标系下采用多区域耦合法对包括三级涡流器在内的环形燃烧室三维两相反应整体流场进行了数值模拟。
计算中采用区域法和偏微分方程法生成三维贴体网格,采用标准k-ε双方程紊流模型,EBU-Ar-rhenius紊流燃烧模型和六通量热辐射模型。
在非交错网格体系下,气相用SIMPLE法求解,液相采用颗粒群轨道模型,并用PSIC算法对其进行数值求解。
计算结果表明,程序编制可靠,建立的三维网格生成和流场计算程序可为燃烧室优化设计和研制提供有用的数据。
【总页数】4页(P215-218)
【关键词】航空发动机;环形燃烧室;流场;数值仿真
【作者】雷雨冰;赵坚行
【作者单位】南京航空航天大学能源与动力学院
【正文语种】中文
【中图分类】V231.2
【相关文献】
1.双级涡流器环形燃烧室整体流场数值模拟 [J], 李井华;赵坚行;常海萍
2.二维火箭发动机燃烧室化学反应粘性流场的数值模拟与实验验证 [J], 费继友;俞炳丰;夏学礼;张杰;高强
3.环形回流燃烧室两相反应流场的数值研究 [J], 雷雨冰;胡好生;赵坚行
4.某环形燃烧室流场数值仿真研究 [J], 崔博;沈伟;田浩男
5.数值分析二级涡流器环形燃烧室的燃烧性能 [J], 李井华;赵坚行
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三级环路行波热声发动机的数值模拟及实验研究随着分布式能源系统和可再生能源利用的迅速发展,高效的能源梯级利用技术成为研究热点。
中低温区的工业废热广泛存在,可用于宽温区的热功转换技术应用前景广阔。
行波热声发动机具有本征效率高、结构简单、可靠性高及成本低等优点,特别是多级环路行波热声发动机因起振温度低、能流密度高,近年来得到了越来越多的关注。
目前关于热声系统的诸多非线性特性及转化机理仍不明晰,而线性热声理论不能描述时域动态过程及非线性特征,CFD等方法受到计算时间、成本的限制,不适用于整机模拟。
为更好揭示热声发动机自激振荡机理及非线性特性,本文采用数值模拟和实验结合的方法针对三级环路行波热声发动机的工作特性开展研究,主要内容如下:1.从基本流体控制方程出发,建立了适用于三级环路行波热声发动机的一维非稳态模型(1DUM),并采用MATLAB编程求解。
模拟结果表明,由于考虑了气体轴向导热,该模型可描述系统从静止状态至振荡饱和的完整压力波演化过程,并对比了不同初始扰动形式的影响,指出初始扰动只改变压力波达到饱和的时刻,并不影响增长曲线及稳态结果。
另外,模拟获得了压力高频谐波及回热器内气体温度时域特性等,通过对比实验及公开文献,验证了该模型的合理性;2.优化设计并搭建了一台三级环路行波热声发动机系统。
对比了不同充气压力和冷热端温差下,DeltaEC模拟、1DUM 模拟及实验获得的运行频率和压力幅值,结果表明1DUM可更准确预测发动机运行频率,在测量范围内最大误差约为0.4 Hz;实验中出现较强的射流等现象,造成压力幅值模拟值与实验值的差异;此外,流动换热关联式是造成DeltaEC与1DUM
稳态压力幅值存在较大差别的原因,在充气压力为1 MPa,温差为400 K
时,DeltaEC和1DUM与实验间的误差分别可达62%和118%。
最后,模拟结果表明1DUM可以计算获得与DeltaEC相似的声场特性分布,其中压力振幅及体积流速相位分布整体误差不超过1°,但在幅值计算上仍需对模型中的流动与换热关联式进行进一步修正。
由于1DUM不依赖经验初值,只需设置环路边界条件和静止初始工况即可,大大简化了建模计算过程,适用于复杂热声系统模拟;3.基于三级环路行波热声发动机实验系统,开展了起振消振特性研究,以氮气为工质,在充气压力为4.0 MPa时,获得最低起振温差约为44K,并在实验中发现明显热声振荡滞后现象;采用阻容负载开展了发动机输出特性初步实验研究,结果表明负载阻抗值对输出性能影响显著,声功和相对卡诺效率都存在最佳阻抗匹配点。
以氮气为工质,充气压力为3 MPa,热源温度为543 K时,获得最大声功78.3 W,最大相对卡诺效率约2.2%。
值得指出的是,实验中发现了明显直流、射流等现象,导致使热声转化效率显著降低,后续将在抑制直流、射流,减少热损失等方面开展研究工作。
