【摘要】：行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)具有效率高、可靠性高、結構簡單、制造成本低以及可利用低品位熱能等突出優(yōu)點,可望在太陽能發(fā)電、工業(yè)廢熱回收、冷熱電聯(lián)產(chǎn)和分布式供能等領域獲得廣泛應用。行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)為熱聲與機電強耦合的非線性系統(tǒng),深入理解其耦合振蕩和能量轉換機理對于實現(xiàn)其穩(wěn)定高效運行至關重要。然而,目前仍缺乏針對上述關鍵問題系統(tǒng)和全面的研究,熱聲發(fā)動機與直線發(fā)電機間的耦合匹配特性仍未清晰闡明,整機性能亟待提高。針對上述問題,本文開展了以下理論與實驗研究工作： 1.發(fā)展建立了適用于行波熱聲系統(tǒng)瞬態(tài)過程模擬的時域網(wǎng)絡模型,開展了行波熱聲發(fā)動機起振特性的數(shù)值模擬和實驗驗證。 熱聲起振是熱聲領域的基礎問題之一,準確模擬起振過程、預測起振溫度和頻率對于揭示起振機理、降低起振溫度具有重要意義。本文從線性熱聲理論推導出了交變流動一維控制方程中的粘性和傳熱項,對所有聲學部件均考慮聲阻、聲慣性、聲容性以及熱弛豫的聲學效應,結合回熱器多孔介質的時域控制方程建立了針對行波熱聲系統(tǒng)的時域網(wǎng)絡模型�；谠撃Ｐ�,對行波熱聲發(fā)動機的起振特性進行了數(shù)值模擬,得到了動態(tài)的壓力波發(fā)展過程、起振溫度、頻率、品質因子以及主要物理參數(shù)的分布特性。結果表明,回熱器內的熱弛豫效應大大增加了系統(tǒng)耗散,對熱聲起振過程具有重要影響。對起振溫度、頻率和品質因子的實驗驗證表明,該模型可較準確地預測行波熱聲發(fā)動機的起振特性,較好地描述了起振溫度以下熱聲發(fā)動機內的聲功產(chǎn)出與耗散特性。該模型便于引入機械運動部件,因而可拓展至多物理場耦合的熱聲系統(tǒng)動態(tài)特性模擬。 2.首次開展了行波熱聲發(fā)動機與直線發(fā)電機組成的雙聲源系統(tǒng)耦合振蕩過程的數(shù)值模擬和實驗研究,揭示了拍頻耦合振蕩的作用機制,闡明了其振蕩頻率的影響因素和分布規(guī)律。 存在多個諧振機構的行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)中在一定情況下會發(fā)生拍頻不穩(wěn)定振蕩現(xiàn)象,使熱聲聲源與機械振子聲源間發(fā)生周期性的能量傳遞過程。本文將行波熱聲發(fā)動機的時域網(wǎng)絡模型與直線發(fā)電機的時域動力學模型相耦合,建立了雙聲源系統(tǒng)完整的瞬態(tài)模型。采用直線發(fā)電機聲源激勵熱聲發(fā)動機聲源獲得了熱聲發(fā)動機在不同頻率下的動態(tài)響應特性和頻率響應曲線。計算和實驗結果表明,熱聲發(fā)動機對于激勵頻率存在明顯的選擇性,偏離其本征諧振頻率時會在激勵初始階段產(chǎn)生拍頻現(xiàn)象。在此基礎上,對雙聲源系統(tǒng)自由衰減中出現(xiàn)的拍頻振蕩過程進行了數(shù)值模擬和實驗研究。計算和實驗結果表明,拍頻現(xiàn)象的產(chǎn)生源于強度相當?shù)碾p聲源間的博弈,所出現(xiàn)的兩個相近的頻率分別由熱聲聲源和直線發(fā)動機聲源所控制。隨著加熱溫度上升,熱聲聲源強度逐漸增強,從而占據(jù)主導直至系統(tǒng)趨向熱聲聲源主導的頻率進行聲振蕩。改變動質量、彈簧剛度和諧振管長度可改變拍頻振蕩頻率但無法使拍頻消失,兩個頻率隨這三個參數(shù)的分布近似為以熱聲發(fā)動機和直線發(fā)電機的諧振頻率線為漸近線的雙曲線。該研究成果對于熱聲發(fā)動機與負載的匹配設計有重要的指導作用,對于實現(xiàn)包含多聲源的復雜熱聲系統(tǒng)的工作協(xié)同性和穩(wěn)定性具有重要意義。 3.完整提出了聲阻抗匹配的基本原理,闡明了行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)的匹配機理,實現(xiàn)了行波熱聲發(fā)動機與直線發(fā)電機的高效匹配。 行波熱聲發(fā)動機與直線發(fā)電機間的匹配性對于熱聲發(fā)電系統(tǒng)的高效熱-聲-電轉換至關重要,然而目前仍缺乏研究以最本質的聲阻抗視角系統(tǒng)闡明其匹配機理和提出實現(xiàn)聲學匹配的有效手段。本文基于交流功率電路的阻抗匹配原理,單獨分析了熱聲發(fā)動機的輸出聲阻抗和直線發(fā)電機輸入聲阻抗特性,獲得了各自最優(yōu)運行工況對應的聲阻抗需求及其調制措施,實現(xiàn)了兩者的耦合并達到聲阻抗匹配狀態(tài),完整提出了聲阻抗匹配的基本思路和實現(xiàn)手段。結果表明,改變熱聲發(fā)動機聲功輸出位置可顯著改變其輸出阻抗特性,從而影響熱聲發(fā)電系統(tǒng)的匹配特性。調整直線發(fā)電機的工作頻率、串聯(lián)電容和負載電阻的大小可顯著改變其輸入聲阻抗,從而可以有針對性地調整至熱聲發(fā)動機所需的最優(yōu)聲阻抗范圍內,進而實現(xiàn)聲學匹配。當以3.16MPa的氦氣為工質,在諧振管處進行耦合時,該熱聲發(fā)電系統(tǒng)達到了聲學匹配狀態(tài),獲得了最大750.4W的電功輸出和0.163的最高熱電效率。該研究從本質上闡明了熱聲發(fā)電系統(tǒng)高效運行的關鍵因素之一為聲阻抗的良好匹配,為解決熱聲發(fā)電系統(tǒng)甚至熱聲制冷、脈管制冷等聲學系統(tǒng)的匹配問題指明了方向。
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【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM61

【參考文獻】

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本文編號：2373524