【摘要】：隨著分布式能源系統(tǒng)和可再生能源利用的迅速發(fā)展,高效的能源梯級(jí)利用技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。中低溫區(qū)的工業(yè)廢熱廣泛存在,可用于寬溫區(qū)的熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用前景廣闊。行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)具有本征效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高及成本低等優(yōu)點(diǎn),特別是多級(jí)環(huán)路行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)因起振溫度低、能流密度高,近年來(lái)得到了越來(lái)越多的關(guān)注。目前關(guān)于熱聲系統(tǒng)的諸多非線性特性及轉(zhuǎn)化機(jī)理仍不明晰,而線性熱聲理論不能描述時(shí)域動(dòng)態(tài)過(guò)程及非線性特征,CFD等方法受到計(jì)算時(shí)間、成本的限制,不適用于整機(jī)模擬。為更好揭示熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)自激振蕩機(jī)理及非線性特性,本文采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法針對(duì)三級(jí)環(huán)路行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性開(kāi)展研究,主要內(nèi)容如下:1.從基本流體控制方程出發(fā),建立了適用于三級(jí)環(huán)路行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的一維非穩(wěn)態(tài)模型(1DUM),并采用MATLAB編程求解。模擬結(jié)果表明,由于考慮了氣體軸向?qū)?該模型可描述系統(tǒng)從靜止?fàn)顟B(tài)至振蕩飽和的完整壓力波演化過(guò)程,并對(duì)比了不同初始擾動(dòng)形式的影響,指出初始擾動(dòng)只改變壓力波達(dá)到飽和的時(shí)刻,并不影響增長(zhǎng)曲線及穩(wěn)態(tài)結(jié)果。另外,模擬獲得了壓力高頻諧波及回?zé)崞鲀?nèi)氣體溫度時(shí)域特性等,通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)及公開(kāi)文獻(xiàn),驗(yàn)證了該模型的合理性;2.優(yōu)化設(shè)計(jì)并搭建了一臺(tái)三級(jí)環(huán)路行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。對(duì)比了不同充氣壓力和冷熱端溫差下,DeltaEC模擬、1DUM模擬及實(shí)驗(yàn)獲得的運(yùn)行頻率和壓力幅值,結(jié)果表明1DUM可更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率,在測(cè)量范圍內(nèi)最大誤差約為0.4 Hz;實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)較強(qiáng)的射流等現(xiàn)象,造成壓力幅值模擬值與實(shí)驗(yàn)值的差異;此外,流動(dòng)換熱關(guān)聯(lián)式是造成DeltaEC與1DUM穩(wěn)態(tài)壓力幅值存在較大差別的原因,在充氣壓力為1 MPa,溫差為400 K時(shí),DeltaEC和1DUM與實(shí)驗(yàn)間的誤差分別可達(dá)62%和118%。最后,模擬結(jié)果表明1DUM可以計(jì)算獲得與DeltaEC相似的聲場(chǎng)特性分布,其中壓力振幅及體積流速相位分布整體誤差不超過(guò)1°,但在幅值計(jì)算上仍需對(duì)模型中的流動(dòng)與換熱關(guān)聯(lián)式進(jìn)行進(jìn)一步修正。由于1DUM不依賴經(jīng)驗(yàn)初值,只需設(shè)置環(huán)路邊界條件和靜止初始工況即可,大大簡(jiǎn)化了建模計(jì)算過(guò)程,適用于復(fù)雜熱聲系統(tǒng)模擬;3.基于三級(jí)環(huán)路行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),開(kāi)展了起振消振特性研究,以氮?dú)鉃楣べ|(zhì),在充氣壓力為4.0 MPa時(shí),獲得最低起振溫差約為44K,并在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)明顯熱聲振蕩滯后現(xiàn)象;采用阻容負(fù)載開(kāi)展了發(fā)動(dòng)機(jī)輸出特性初步實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明負(fù)載阻抗值對(duì)輸出性能影響顯著,聲功和相對(duì)卡諾效率都存在最佳阻抗匹配點(diǎn)。以氮?dú)鉃楣べ|(zhì),充氣壓力為3 MPa,熱源溫度為543 K時(shí),獲得最大聲功78.3 W,最大相對(duì)卡諾效率約2.2%。值得指出的是,實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了明顯直流、射流等現(xiàn)象,導(dǎo)致使熱聲轉(zhuǎn)化效率顯著降低,后續(xù)將在抑制直流、射流,減少熱損失等方面開(kāi)展研究工作。
【圖文】：

疊（回?zé)崞鳎�，板疊大大提高了氣體和固體的換熱性能，，另外發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)工質(zhì)氣體的充氣壓逡逑力也相應(yīng)提高，提高了熱聲轉(zhuǎn)化強(qiáng)度。就熱核驅(qū)動(dòng)的方式而百，駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)可分為：逡逑單端驅(qū)動(dòng)式、雙端驅(qū)動(dòng)式和徑向環(huán)型式，如圖１－１所示；駐波諧振管一般為一段封閉的逡逑空管，根據(jù)其聲場(chǎng)特點(diǎn)可分為四分之一波長(zhǎng)、半波長(zhǎng)或介于兩者之間的各類形式。逡逑Ｔｈ邋Ｔａ逡逑￣｜１逡逑（ａ）逡逑Ｔｈ邋Ｔａ邐Ｔａ邋Ｔｈ逡逑￣ｒ■

本文編號(hào)：2682256