【摘要】：熱聲發(fā)動機(jī)利用熱聲效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)化為聲功。具有無機(jī)械運(yùn)動部件、結(jié)構(gòu)緊湊簡單、長壽命、運(yùn)行可靠、環(huán)保等突出優(yōu)點(diǎn),得到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。熱聲發(fā)動機(jī)包括行波型熱聲發(fā)動機(jī)與駐波型熱聲發(fā)動機(jī)。相比于駐波型熱聲發(fā)動機(jī),行波型熱聲發(fā)動機(jī)具有更高的熱功轉(zhuǎn)化效率,因此,行波型熱聲發(fā)動機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展成為了近十幾年的研究熱點(diǎn)。另外,在數(shù)值模擬方面,大部分的研究工作主要是針對熱聲一維分布特性,忽略了徑向上各物理量的變化情況。為了更加清楚地了解熱聲系統(tǒng)內(nèi)的聲場分布特性,為非線性熱聲理論的發(fā)展提供參考依據(jù),本文著重研究熱聲系統(tǒng)在二維空間內(nèi)的分布特征。本文在Rott線性熱聲理論以及動力學(xué)基本方程的基礎(chǔ)上,自行推導(dǎo)建立了熱聲發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的二維一階與二維二階頻域理論數(shù)學(xué)模型,并根據(jù)有限元中的加權(quán)余量法將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為便于求解的矩陣形式。運(yùn)用MATLAB軟件自主編程對一臺行波型熱聲發(fā)動機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了二維數(shù)值模擬研究,獲得了熱聲系統(tǒng)內(nèi)聲場的一階壓力、一階溫度、一階速度的分布情況以及數(shù)值大小。隨后,將所求得的一階各波動量作為已知量代入二階求解模型中得到了系統(tǒng)內(nèi)各二階波動量的分布特征。模擬結(jié)果表明:在諧振管內(nèi),不論是一階各波動量還是二階各波動量都呈現(xiàn)良好的正弦曲線分布。相比與一階量,二階量波長縮小一半,頻率增大兩倍。在回?zé)崞鲉蝹�流道內(nèi),一階與二階各波動量的分布情況基本一致,但一階量的振動幅值遠(yuǎn)大于二階量。從冷端到熱端,由于存在較大的阻抗,波動壓力振幅與溫度振幅有明顯的下降,而波動速度振幅則逐漸升高。將軸向速度和壓力沿截面積分后取平均值,得到了整個熱聲系統(tǒng)沿軸向一維空間的體積流率與壓力振幅分布。不論是一階量還是二階量,壓力與體積流率都呈現(xiàn)出相反的變化現(xiàn)象,在回?zé)崞鬟M(jìn)口處,壓力達(dá)到最大值,而體積流率則達(dá)到極小值。對行波型熱聲發(fā)動機(jī)的二維時域模型進(jìn)行了初步探索與研究,自行推導(dǎo)建立了二維一階時域模型與有限元求解模型以及二維二階時域模型與有限元求解模型,為熱聲系統(tǒng)的時域分析提供了一種求解方法。
【學(xué)位授予單位】：遼寧科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TK402
【圖文】：

Petrus Leonardus Rijke 在“Sondhauss Tube”的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一項新的實(shí)驗(yàn)，他將兩端都開口的空管垂直放置，并在管子下半部分的某一位置處布置一張金屬網(wǎng)絲，如圖1.1（c）所示[13]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)絲被加熱或冷卻時管道內(nèi)都會發(fā)出很大的響聲。這一重大發(fā)現(xiàn)為熱聲現(xiàn)象的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1.2.1 線性理論的發(fā)展1868 年，F(xiàn)eldman 和 Kirchhof 首次運(yùn)用理論知識計算得到了氣體介質(zhì)與固定壁面之間由于熱相互作用而導(dǎo)致的衰減量[14-15]。1878 年，英國物理學(xué)家 Rayleigh 對產(chǎn)生聲振動的原因給出了較為全面的解釋，即著名的 Rayleigh 準(zhǔn)則[16]。他認(rèn)為：正在振蕩的氣體介質(zhì)，如果要加強(qiáng)它的振蕩強(qiáng)度，則在其密度較大時加入熱量或者在密度較小時吸取熱量，反之就會削弱振蕩幅度。前者是將熱能轉(zhuǎn)化為聲功的一個過程，后者則剛好相反。這一準(zhǔn)則定性的說明了氣體介質(zhì)為什么能夠在管中維持振蕩。1949 年，Taconis 在低溫環(huán)境下將一端封閉的空管接近液氦表面時

圖 1.2 駐波型熱聲發(fā)動機(jī)Fig. 1.2 Standing-wave thermoacoustic engine世紀(jì)末期，賓夕法尼亞大學(xué)的 Chert 和 Garret 首次建立了一臺將太陽驅(qū)動熱源的駐波型熱聲發(fā)動機(jī)，如圖 1.3 所示[51]。該裝置在 40cm 當(dāng)位置加入了多孔介質(zhì)板疊，通過太陽能的加熱成功獲得了 120dB是這個實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證了熱聲發(fā)動機(jī)可以采用低品位熱源這一突出優(yōu)，LosAlamos實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合Cryenco公司制造了一臺熱聲驅(qū)動脈管制冷 所示[52]。該設(shè)備進(jìn)行了對天然氣液化的研究，利用百分之六十天然化另外百分之四十的天然氣，熱聲熱機(jī)的效率達(dá)到了 25%。該實(shí)驗(yàn)動機(jī)在低溫工程領(lǐng)域中的的應(yīng)用價值。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前5條

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本文編號：2737757