热声理论的研究进展

光声光热研究及其应用进展杨跃涛（近代声学教育部重点实验室，南京大学声学研究所，南京210093）1 引言当物质受到强度周期性调制的光束照射时，物质吸收辐射能而被激发，然后通过非辐射去激励将部分或全部吸收的能量转化为热能；周期性热流使周围的介质热胀冷缩，因而激发声波，这就是光声效应。

光声效应实际上是光热和热声两个效应的迭加，其主要的研究过程为热的转换和传播的过程。

1880年，Bel1发现光声效应。

1938年，苏联学者Viengerov利用光声效应研究了气体对红外光的吸收，并测定了混在N2气中的CO2。

但光声效应的深入研究与广泛应用则始于本世纪70年代中期。

Rosencwaig和Gersho于1976年提出了凝聚态物质中的光声效应理论，通称为R-G 理论[1]，较系统地论述了凝聚态物质中光声效应的产生机理，从而奠定了近代光声学的基础。

近年来，光声学在理论研究和实际应用两方面取得了飞速发展，成为国内外引人注目的研究领域，它已广泛地应用于物理、化学、生物、医学及环境等各门学科的研究。

受篇幅限制，本文只简要介绍与讨论光声学各分支目前的研究进展及发展趋势，并侧重回顾我国科研人员的研究成果。

2 光声效应理论2.1 光声效应的R-G理论物质吸收光能后, 分子跃迁到激发态, 在返回初始状态时, 或者通过伴随发光的辐射跃迁过程, 或者通过非辐射跃迁过程, 以热的形式散逸。

因入射的调制光具有一定频率, 在试样吸收点上就产生一个周期性的热分布。

固体试样的热量扩散至试样表面, 传导给周围的耦合气体, 界面层的气体在密闭的光声池里起到气体活塞作用, 产生压力波动, 被微音器检测为光声信号。

图1 光声池结构示意图光声池的一维模型如图1所示, 以热扩散方程为基础, R-G理论导出了一束单色调制光入射至样品上产生的光声信号表达式。

它是以气体压力作为时间变量函数来表示的。

假设入射光为正弦波:)cos 1(20t I I ω+=(1) 固体吸收光能后产生的热部分传到表面, 形成温度分布, 进而在周围的气体中产生压力变化ΔP (t): ()P P t ημθ⎤Δ=⎥⎦ (2)其中η为比热比, P 0为大气压，T 0为环境温度, ω为调制入射光的角频率，θ为温度分布(???)，论了六.2 液体脉冲光声效应理论于吸收光能而加热，从而激发声波。

热声系统起振机理的初步研究
欧阳录春;邱利民;张武;孙大明;谢雪梅
【期刊名称】《低温工程》
【年(卷),期】2002(000)005
【摘要】根据气体密度、粘度和导热系数等物性参数随温度的变化规律,在对热声系统中热声转换的关键部件丝网板叠进行合理简化的基础上,给出了热声系统起振机理的一种初步解释,对进一步完善热声理论具有一定指导意义.
【总页数】6页(P6-11)
【作者】欧阳录春;邱利民;张武;孙大明;谢雪梅
【作者单位】浙江大学制冷与低温研究所,杭州,310027;浙江大学制冷与低温研究所,杭州,310027;浙江大学制冷与低温研究所,杭州,310027;浙江大学制冷与低温研究所,杭州,310027;浙江大学制冷与低温研究所,杭州,310027
【正文语种】中文
【中图分类】TB533
【相关文献】
1.热声斯特林发动机系统的起消振过程研究 [J], 金滔;毛长松;汤珂;洪剑平;钟笑鸣
2.热声系统起振消振行为的实验研究 [J], 金滔;陈国邦;应哲强;徐友仁;冯绍苏
3.热声起振机理的研究进展 [J], 刘靖;邱利民;赖碧翚;孙大明
4.热声直线发电系统声学阻抗匹配机理与匹配性设计研究 [J], 林锦豪
5.直线导轨副系统阻尼减振机理研究及仿真 [J], 刘文威;黄强;黄创绵;成克强;王远航;董成举
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

蕴含在热声制冷技术中的物理知识【摘要】热声制冷技术是一种新型的制冷技术，通过声波的作用将气体分子的运动能转化为热能，从而实现制冷效果。

在热声制冷中，声波起着至关重要的作用，它可以使气体分子迅速振动并相互碰撞，从而提高气体的温度。

热声制冷还依靠热力学原理和热传递过程，将热能从物体中传递到周围环境中。

通过声波能量转换，热声制冷技术可以实现高效、节能的制冷效果，对环境友好。

未来，热声制冷技术有着广阔的应用前景，可以在航天、医疗、船舶等领域发挥重要作用。

其未来的发展方向是提高制冷效率、降低成本，并实现更广泛的应用。

热声制冷技术的发展将在制冷领域带来革命性的进展，为人类创造更加舒适、环保的生活环境。

【关键词】热声制冷技术、物理知识、声波、气体分子、热力学原理、热传递、声波能量转换、应用前景、未来发展方向1. 引言1.1 热声制冷技术的背景热声制冷技术是一种利用压缩气体在声波作用下产生的温度变化来实现制冷的技术。

其背景可以追溯到19世纪中叶，当时科学家发现气体在声波作用下具有明显的温度变化。

随着现代科学技术的发展，热声制冷技术逐渐成为了制冷领域的一个重要分支。

热声制冷技术的背景可以说是源远流长的，但直到20世纪70年代，随着超声波技术和热力学理论的发展，热声制冷技术才逐渐引起人们的关注。

热声制冷技术的出现填补了传统制冷技术无法满足高精度制冷需求的空白，成为了一种全新的绿色高效制冷技术。

热声制冷技术的背景不仅仅是为了提供更好的制冷效果，更是为了应对环境问题和能源危机，实现全球可持续发展的目标。

热声制冷技术的背景凸显了其在当今社会中的重要性和必要性。

随着科技的不断进步和发展，热声制冷技术必将在未来取得更大的突破和应用。

1.2 热声制冷技术的重要性热声制冷技术具有较高的效率和稳定性。

由于声波能够将热量从低温区传递到高温区，使得热声制冷系统的制冷效果更加高效，能够实现更低的温度。

热声制冷技术操作简单，结构复杂度低，容易实现自动化控制，稳定性较高。

热声效应原理
热声效应原理是指在声波传播的过程中，由于声波所带动的分子热运动，导致介质中局部温度的变化，进而影响声波的传播。

具体来说，当声波经过介质时，声波所带动的分子热运动会使介质中的局部温度发生微小变化，这种温度变化又会引起介质密度、压力和声速等物理量的变化，从而导致声波的传播速度和幅度发生改变。

这种效应在高频声波和介质吸收系数较小的情况下尤为显著。

热声效应广泛应用于声学领域，如超声波检测、医学诊断、材料检测、流体力学等方面。

在超声波检测中，利用热声效应可以实现对材料中的缺陷、裂纹和异物等进行非破坏性检测。

在医学诊断中，利用热声效应可以实现对人体内部组织的成像，辅助医生进行诊断。

此外，在流体力学领域，利用热声效应可以实现对流体的流速、密度和压力等参数进行测量。

- 1 -。

２０１０年第２期　总第１７４期　低　温　工　程　

ＣＲＹＯＧＥＮＩＣＳ　Ｎｏ．２　２０１０　Ｓｕｍ　Ｎｏ．１７４　

双声源驱动热声系统的理论声场重构与实验验证　周立华　谢秀娟　李　雷　李　青。　（　中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室　北京　１００１９０）　（　中国科学院研究生院北京１０００３９）　

摘　要：搭建了一套双声源驱动热声热机实验系统，该系统包括双扬声器、谐振管、置于谐振管内　的回热器和换热器等元件。利用双声源法，可实现对谐振管及回热器边界声场的任意调制，包括调节　幅值（调幅）、调节相位（调相）和调节频率（调频）。在给定双声源条件下，采用双传感器法对该系统　谐振管中的声场参数（包括声压、质点速度、当地声阻抗等）分布进行理论声场重构，并通过实验分　析，证实了该方法在等径谐振管内非声压腹点和节点处的适用性和准确性，而在声压腹点和节点处　（附近）的误差最大达到１２．４％。同时，对谐振管内的声场进行了行波驻波分解，得到了谐振管中行　驻波成分比例。　关键词：双声源驱动　回热器　声场重构　行驻波　中图分类号：ＴＢ６１１　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００￣５１６（２０１０）０２－００１４－０６　

Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｉｎ　ｔｈｅｒｍｏａｃｏｕｓｔｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂｙ　ｄｏｕｂｌｅ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｄｒｉｖｅｒｓ　

Ｚｈｏｕ　Ｌｉｈｕａ　・　Ｘｉｅ　Ｘｉｕｊｕａｎ　Ｌｉ　Ｌｅｉ　・　Ｌｉ　Ｑｉｎｇ　（　Ｋｅｙ　Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１９０，Ｃｈｉｎａ）　（　Ｇｒａｄｕａｔｅ　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００３９，Ｃｈｉｎａ）　

热声发动机输出特性研究的开题报告
热声发动机是一种利用声波能量进行工作的发动机，它具有高能量转换效率和低污染排放的特点，因此备受关注。

本次开题报告旨在研究热声发动机的输出特性。

首先，热声发动机的输出特性包括功率、效率和排放等方面。

该发动机的工作原理是利用高温气体在热声效应下的扩散和振荡，从而将热能转变为动能。

因此，热声发动机的功率和效率受到多种因素的影响，如工作状态、声频、气体压力等。

此外，热声发动机作为一种新型发动机，其排放特性也需要进行研究和分析。

其次，本次研究将采用数值模拟和实验研究相结合的方法。

数值模拟将通过ANSYS Fluent软件建立热声发动机的三维计算模型，分析热声效应对发动机内气体流场、振动和声波特性的影响。

实验研究将通过搭建热声发动机试验台，并采集其输出特性数据，验证数值模拟结果的可靠性和准确性。

最后，本次研究的成果将为热声发动机的优化设计、性能提升和应用推广提供参考。

同时，也将为新能源发动机领域的发展做出贡献。

在研究中可能会遇到的问题包括热声发动机内部气体流场和声场的复杂性，实验数据的获取和分析难度等。

针对这些问题，我们将采用合理的方案和方法，并借助前人研究成果和专业知识进行优化和完善。

综上所述，本次研究将从热声发动机的输出特性入手，旨在深入探究其工作原理和优化设计，提高其性能和应用价值。

热泵技术与热声制冷技术摘要本文主要通过介绍热泵技术与热声制冷技术的概念,原理,主要技术,研究热点及应用,热泵技术还介绍了各个技术的优缺点,应用及应用限制,目前存在的问题及对应的解决方案,并对两种技术的今后发展进行了展望。

1.热泵技术热泵是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热,经过电力做功,输出能用的高品位热能的设备。

现在我国主要利用三种热泵技术,分别是水源泵,地缘热泵,以及空气源热泵。

1.1热泵新技术主要为热泵系统节能新技术,热泵变频节能技术,同时供冷供热的热泵系统,高湿地区空气源热泵除霜技术,污水冷热源热泵技术应用等[1]。

1.2技术上存在方面问题风冷热泵型机组存在体型较大,噪声较高,除霜技术尚不完善等问题。

主要应用风冷热泵的地区是长江流域,由于其气候原因,要求热泵必须适应0℃以下低温高湿气候环境;吸收式溴化锂制冷机组效率偏低;房间空调器存在噪声污染、热污染(大量电机功率转化的热量排入住宅)和制冷剂污染,特别是(分体式空调机安装和使用时的泄漏)。

1.3技术发展总趋势主要发展高效率的供热、供冷热泵和超级热泵系统。

机械压缩式热泵的发展:(1)制冷剂侧的热泵控制(2)压缩机能量控制(3)压缩机设计(4)新工质技术;吸收式热泵和吸收式热变换器压缩-吸收式热泵;高温热泵[2]。

1.4水源热泵1.4.1水源热泵技术的工作原理通过输入少量高品位能源(如电能),实现低温位热能向高温位转移。

水体分别作为冬季热泵供暖的热源和夏季空调的冷源,即在夏季将建筑物中的热量“取”出来,释放到水体中去,由于水源温度低,所以可以高效地带走热量,以达到夏季给建筑物室内制冷的目的;而冬季,则是通过水源热泵机组,从水源中“提取”热能,送到建筑物中采暖。

1.4.2优点高效节能、属可再生能源利用技术,节水省地,环保效益显著,水源热泵系统可供暖、制冷、还可供生活热水,一机多用,水体波动小、运行稳定可靠,装置结构简单、维护方便等。

1.4.3如果以地下水做水源热泵的缺点 1.由于地下水质的不稳定,比如含沙量过高,或沙质过细,对机组组有极大的破坏作用。

２００８年第５期　总第１６５期　

低　温　工　程　

ＣＲＹ０ＧＥＮＩＣＳ　Ｎｏ．５　２００８　

Ｓｕｍ　ＮＯ．１６５　

热声系统内交变流动特性的理论分析　张富珍　＇　李　青　孙生生　胡忠军　（　中国科学院理化技术研究所北京　１００１９０）　（　哈尔滨工程大学动力与能源学院　哈尔滨　１０００５０）　

摘　要：从流动特性角度分析了热声系统中速度分布的一些特征和形态。对动量方程的数值解　的分析表明：＂－３　ｒ　／８　＜０．６或Ｒｅ　．＜３（Ｒｅ　，为交变流动的雷诺数）时，流动可视为准稳态振荡，压力振　荡和速度振荡的相位差趋向于零，声场接近于行渡声场；当０．６＜ｒｈ／８　＜３．５或３＜Ｒｅ　＜１Ｏ０时，流道　内径向速度相位发生偏移，出现“环形效应”，压力和速度振荡的相位与流层距壁面的距离有关，其内　声场为混合声场，流动演化为过渡流状态；当ｒ　／８　＞３．５或Ｒｅ　，＞１００流动发展为完全湍流状态，流动　的大部分区域的压力振荡和速度振荡的相位差趋向于，ｒｒ／２，声场接近于驻波声场。　关键词：热声　流动特性速度分布　声场模态　中图分类号：ＴＢ６５１　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—６５１６（２００８）０５－０１１－０５　

Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｉｎ　ｔｈｅｒｍｏａｃｏｕｓｔｉｃ　ｓｙｓｔｅｍｓ　

Ｚｈａｎｇ　Ｆｕｚｈｅｎ　・　Ｌｉ　Ｑｉｎｇ　Ｓｕｎ　Ｓｈｅｎｇｓｈｅｎｇ　Ｈｕ　Ｚｈｏｎ￣ｕｎ　（　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１９０，Ｃｈｉｎａ）　（　Ｈａｒｂｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｄｙｎａｍｉｃ　ａｎｄ　Ｅｎｅｒｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１０００５０，Ｃｈｉｎａ）　

华中科技大学硕士学位论文扬声器驱动热声制冷机的研制姓名：刘昌健申请学位级别：硕士专业：制冷及低温工程指导教师：李青20100526华中科技大学硕士学位论文摘要热声制冷机具有结构简单，运行可靠，采用无污染工质等特点，给制冷低温领域提供了一种全新的技术解决方案。

扬声器具有成本低，应用广泛，容易获得等优点，因此用扬声器作为动力装置来驱动热声制冷机成为一个研究热点。

本文首先回顾了热声热机和热声理论的发展历史及研究背景，重点介绍了关于扬声器驱动热声制冷机的研究。

接着对声驱动器的设计进行了重点研究。

通过理论分析，调节扬声器出口阻抗的大小和相位，可以提高扬声器的电声转换效率。

理论上,扬声器的出口阻抗越接近行波相位，阻抗幅值越大，扬声器的电声转换效率越高。

通常，仅仅扬声器正面辐射的声功被利用，而实际上，扬声器正反两面都辐射出声功。

为了利用扬声器正反两面辐射的声功，利用声学网络模型，分析设计了倒相式声驱动器结构，使得扬声器正反两面辐射的声功经过叠加后起到相互增强的效果，进而提高扬声器驱动热身声制冷机的电声转换效率。

采用DeltaE一维热声数值模拟软件建立了四分之一波长声驱动热声制冷机的仿真模型。

对热声制冷机的运行参数和结构参数进行了详细的优化，其中回热器的布置应该靠近压力腹点，且室温端应指向压力腹点。

在一维数值模拟的基础上，对已经建立的热声制冷机模型进行了二维CFD模拟，采用的是商业化CFD 模拟软件Fluent，成功模拟了制冷机中出现的非线性现象，以指导我们完善制冷机的设计。

最后，研制了一台扬声器驱动的热声制冷机，并建立了实验平台，进行了初步的实验研究。

关键词：热声制冷机，扬声器驱动，倒相，CFD模拟华中科技大学硕士学位论文AbstractDue to the advantages of simple structure, reliable operation, the use of non-polluting refrigerant，thermoacoustic refrigerator supplies a new solution to the refrigeration and cryogenics field. The loudspeaker has the advantages of low cost, widely used and easy availability, so loudspeaker -driven thermoacoustic refrigerator has become a research hotspot.The development of thermoacoustic engine and thermoacoustic theory is reviewed firstly, also with the research background.Then the design of the sound compressor is analyzed. By adjusting the loudspeaker’s export impedance and phase properly, the electro-acoustic conversion efficiency can be improved. In theory, the impedance the more close to traveling-wave impedance, and with greater amplitude, the loudspeaker gains higher electro-acoustic conversion efficiency. Generally, only the acoustic power from the positive side is used, however, both positive and negative sides export acoustic power. For taking advantage of both side’s acoustic power, employing the acoustic network model, an inverted-phase sound compressor is designed. It makes the superposition of the two acoustic power is positive, so the electro-acoustic conversion efficiency is improved.A quarter wavelength of loudspeaker-driven thermoacoustic refrigerator of numerical simulation model is established by the one-dimensional simulation software DeltaE. The operating and structure parameters of the refrigerator are optimized in detail. The regenerator should be arranged near the pressure antinode, and the heat exchanger of room temperature should be arranged pointing to the pressure antinode.Two-dimensional CFD simulation has been progressed based on the model established by DeltaE, using the commercial CFD simulation software Fluent. It has simulated the non-linear phenomena in the refrigerator successfully. It can guide the design of refrigerator. Finally, a loudspeaker-driven thermoacoustic refrigerator has been designed, and a preliminary experimental study has been done on the established experiment platform.Keywords：Thermoacoustic Refrigerator，Loudspeaker-Driven，Inverted-phase，CFD simulation独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

热声效应及其应用热声效应是指在固体、液体或气体中，由于物体受到外界热源的作用，导致物体内部产生温度变化而引起的声波传播现象。

热声效应是热传导和声波传播相互作用的结果，广泛应用于声学、材料科学、能源工程等领域。

热声效应的机制可以通过热力学和声学的基本原理来解释。

当物体受到外界热源的加热或冷却时，会导致物体内部温度分布的不均匀。

这种温度不均匀性会引起物质的体积膨胀或收缩，从而产生声波。

根据热力学原理，当物质的温度升高时，其分子的平均振动速度增加，分子之间的相互作用力减小，导致物质膨胀；反之，当物质的温度降低时，分子的平均振动速度减小，分子之间的相互作用力增加，导致物质收缩。

这种由温度变化引起的物质体积变化就是热声效应的基础。

热声效应在实际应用中具有重要的意义。

首先，热声效应可以用于测量和控制温度。

通过利用物体受热后产生的声波，可以测量物体的温度变化。

这种测温方法不仅可以应用于实验室科研，还可以广泛应用于工业生产过程中的温度监测和控制。

其次，热声效应还可以用于能量转换和声能利用。

例如，利用热声效应可以将废热转化为声能或电能，从而提高能源利用效率。

此外，热声效应还可以应用于声学传感器、热声激光器等领域。

在声学领域，研究热声效应有助于深入理解声波的产生和传播机制。

通过研究热声效应，可以揭示声波的振动特性和传播规律，从而推动声学理论和技术的发展。

此外，研究热声效应还可以为设计和优化声学材料提供理论依据。

通过调控材料的热声性能，可以实现声波的传播控制和声学设备的性能优化。

热声效应还在环境监测、医学诊断等领域发挥着重要作用。

例如，在环境监测中，利用热声效应可以实现对大气中的温度和湿度等参数的测量。

在医学诊断中，热声效应可以用于体内组织的温度测量和热疗治疗。

这些应用不仅有助于提高环境监测和医学诊断的准确性和可靠性，还可以为人们的生活和健康带来更多的便利和福祉。

热声效应作为热传导和声波传播相互作用的结果，在科学研究和实际应用中具有重要作用。

航空发动机燃烧室模型热声耦合研究摘要航空发动机燃烧室为了降低的排放,采用较长结构的燃烧室,这种燃烧室虽然降低了的排放,同时使燃烧室产生了燃烧噪声。

长时间高声级的压力脉动引起结构振动与疲劳,影响燃烧室的使用寿命,同时声压力对燃烧产生影响,造成燃烧不稳定。

研究航空发动机燃烧室模型热声耦合现象,介绍模型建立依据,通过FLUENT对燃烧产生的温度场和声压力场分析燃烧室热声耦合关系。

分析结果对研究设备热声耦合有借鉴性。

分析结果可应用于实际航空发动机燃烧室和地面燃气轮机中。

关键词热声耦合;燃烧不稳定;热噪声0 引言航空涡轮发动机燃烧噪声早在70年代开始研究,但是热声耦合研究是一个复杂的过程,很难找出热声耦合之间的必然规律。

本文尝试结合试验模型,使用FLUENT分析燃烧过程产生声压力情况。

结合燃烧温度场,寻找热声之间耦合关系。

热声耦合的研究为燃烧噪声及声弹耦合研究打下基础。

1 热声耦合现象燃烧是指燃料的氧化作用。

燃烧并不是稳定的,燃烧速度不断的改变,产生脉动现象,脉动产生一个声速度源,在燃烧室里产生声域(通常叫做燃烧噪声)。

燃烧放热速率有一个微小的变化,这个微小的变化会产生声压扰动。

声在燃烧室内传播,遇到壁面或不同介质返回,反过来又影响燃料供应速度,使燃烧放热速度变化。

这样燃烧放热和压力波动就互相影响,当相位恰当时能互相激励,构成正反馈回路。

系统趋于不稳定,微小的扰动将在短时间内被放大,随后在非线性因素作用下建立起一定幅值和频率的振荡。

这样使燃烧热和声压力二者之间形成耦合,即热声耦合现象。

2 模型建立燃烧室模型的建立是依据我院航空发动机燃烧室模型热声固耦合试验装置的实际尺寸制定的,通过有限元的分析结果与试验测量结果进行比对,验证软件分析的正确性。

试验装置整体结构如图1所示。

试验装置主要由三部分组成,燃烧部分、结构段部分、水冷却部分,燃烧室尺寸为边长150mm矩形结构,燃烧室的长度2.2m。

试验装置设有内外两层结构,内层燃烧空间,中间夹层作为冷却。

环路行波热声发动机声阻抗匹配的机理与优化研究热声热机是一种可将热能转化为声能或消耗声能进行泵热的无运动部件热力机械,具有高可靠性、长寿命和环境友好等优点。

三十多年来,在热声热机理论以及实验样机的研究上已经取得了诸多重要进展,但在实用化方面却面临着与传统热机相竞争的严峻考验。

适宜于低品位热源驱动的热声发动机是热声热机实用化可能取得突破的重要方向,也是热声研究领域近年来的热点之一。

环路行波热声发动机可同时实现高效的热声转换和声功传输,从而有望实现对低品位热源的高效利用。

为进一步探索环路热声发动机的声阻抗匹配机制,降低起振温度,实现在低温位热源驱动下的高效运行,本文开展了以下工作:(1)讨论利用容性腔和阻性管对环路热声系统中的声场进行调节的机制,并对其调相效果进行理论分析和实验验证。

从构建声学准软/硬边界条件出发,提出利用容性腔和阻性管两种调相方式在环路热声发动机内建立起合适的声场。

搭建一台单级环路行波热声发动机,对比系统在无调相装置、以容性腔为调相装置和以阻性管为调相装置时的性能。

实验结果显示,当把容性腔或阻性管分别安装在恰当的位置时,系统的起振温度均可显著降低。

当以容性腔为调相装置,并以2.37MPa的CO2为工质时,系统的起振温度仅为40℃(对应的起振温差为3I℃)。

(2)系统设计并建造了单级、双级、三级和四级等四种可由低温位热源驱动的环路热声发动机。

在环路结构的一种典型声场分布里,有四个相距大约1/4波长的速度和压力相位差为0的纯行波点,它们都符合高效热声转换对回热器处声场的要求。

在此基础上,结合调相装置,构建了四种可以在低温位热源下运行的热声发动机,其中单级、双级和三级系统的结构均不具对称性,打破了传统同类机型的对称结构的限制。

以1MPa的CO2为工质时,三级和四级系统的起振温度可低至29℃(对应的起振温差为17℃),这是公开文献中常规尺寸热声发动机所能达到的最低起振温度和温差。

(3)以环路热声发动机为基础,验证了低温位热源驱动热声发动机进行发电或制冷的可行性。