熱聲理論是一門研究由流場、聲場以及熱量傳遞轉(zhuǎn)換的多物理場學(xué)科理論,而由熱聲理論作為支撐而興起的熱聲發(fā)動機(jī)技術(shù)是近三十年來科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)新的熱點(diǎn)。熱聲發(fā)動機(jī)相比于傳統(tǒng)的機(jī)械發(fā)動機(jī)具有明顯的優(yōu)勢,例如采用環(huán)保工作介質(zhì),無任何污染,符合綠色發(fā)展理念;無機(jī)械運(yùn)動部件,工作可靠性高,使用壽命長;可利用低品位能源例如余熱資源進(jìn)行供能,有利于優(yōu)化能源體系結(jié)構(gòu),提高能源的利用率。早期的熱聲發(fā)動機(jī)研究以純駐波或純行波發(fā)動機(jī)為主,但是均發(fā)現(xiàn)熱效率低下,無法與傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)相比,直到斯特林熱聲發(fā)動機(jī)的出現(xiàn)才改變了這一現(xiàn)狀,使得熱聲發(fā)動機(jī)的實(shí)用化預(yù)期能夠?qū)崿F(xiàn)。但是目前來說,針對熱聲發(fā)動機(jī)的理論研究仍在繼續(xù),主要是熱聲非線性理論仍需完善,這就要求對熱聲系統(tǒng)內(nèi)的聲場分布特性要有更為深入的理解和認(rèn)知,之前大部分的研究工作主要是針對熱聲一維分布特性的研究,而本文則建立起二維頻域熱聲數(shù)學(xué)模型,更為全面地探究熱聲系統(tǒng)的特性分布情況。由于求解二維熱聲數(shù)學(xué)模型的分析解十分困難,故需借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值求解計(jì)算,本文采用有限單元法對所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值求解。有限元法一開始多應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)的分析,后來逐漸拓展到聲學(xué)以及流體力學(xué)等領(lǐng)域的分析當(dāng)中,而今已成為研究領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值求解方法之一。由于熱聲系統(tǒng)是多物理場耦合而成的復(fù)雜系統(tǒng),因此將有限元法應(yīng)用到熱聲數(shù)值模擬當(dāng)中是一種行之有效的做法。本文采用有限元法中常用的Galerkin法將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成加權(quán)余量方程,進(jìn)而導(dǎo)出熱聲有限元數(shù)學(xué)求解模型。通過結(jié)合熱聲系統(tǒng)的實(shí)際邊界條件,建立起熱聲有限元求解流程,最后利用matlab語言編程搭建熱聲有限元法求解程序框架。通過對斯特林熱聲發(fā)動機(jī)物理模型進(jìn)行一定的簡化并運(yùn)行求解程序,得到了熱聲系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)物理量二維分布特性,尤其是在管徑方向的分布特性,并針對熱聲的幾個(gè)主要部件,如諧振管、回?zé)崞鬟M(jìn)行了具體分析,并對結(jié)果中出現(xiàn)的一些現(xiàn)象做出了初步分析和闡述。
【學(xué)位單位】：遼寧科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TK05
【部分圖文】：

這種現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)也被公認(rèn)為是熱聲學(xué)的開端[1]，而這種管子也被稱為“Higgins Tube”。而在同一時(shí)期，歐洲的一個(gè)吹玻璃工人也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪現(xiàn)象：當(dāng)把加熱的玻璃球放置于到中空的玻璃管上時(shí)，玻璃管道的尖端部位處有時(shí)會奇怪的聲響，這其實(shí)也是由于熱聲原理造成的。但此后時(shí)隔七十余年，熱聲學(xué)才有了進(jìn)一步的研究探索。1850 年，德國物理學(xué)家 Karl Friedrich Julius Sondhuass 進(jìn)行了一項(xiàng)新的熱聲實(shí)驗(yàn)：他準(zhǔn)備了一根一端封閉而另一端開口的玻璃管，然后用火焰加熱封閉一端，這時(shí)開口端會發(fā)出聲音，即產(chǎn)生聲振蕩[2]，這就是后來所謂的“Sondhauss Tube”，如圖 1.1(b)所示。1859 年，荷蘭物理學(xué)家 Petrus Leonardus Rijke 又對 Higgins 管進(jìn)行了改造，他在垂直放置的兩端開口的管道的中間某處放置了金屬絲網(wǎng)，然后用火焰對金屬絲網(wǎng)加熱，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在絲網(wǎng)被加熱和被冷卻的過程中管道中產(chǎn)生了很大的聲響[3]，如圖 1.1(c)所示，Rijke 隨后對這種現(xiàn)象進(jìn)行了定性分析，這就是著名的“Rijke振蕩”，而這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)也被許多大學(xué)用于在課堂演示。

美國研究學(xué)者 Cater 和他的學(xué)生們針對 Sondhauss 管的改進(jìn)他們在原來的空管中的某一處位置上添加了一束細(xì)管，結(jié)果發(fā)顯的增強(qiáng)，這束細(xì)管的作用其實(shí)就相當(dāng)于后來比較成熟的駐波-板疊。Cater 等人的這項(xiàng)成果讓熱聲界誕生了第一臺有聲功輸年，美國 Los Alamos 實(shí)驗(yàn)室的 Weatley 帶領(lǐng)他的課題小組成員行了深入研究并取得了杰出成就[24-25]，Weatley 指出利用聲諧相互結(jié)合就能設(shè)計(jì)出一種全新的駐波熱聲發(fā)動機(jī)，經(jīng)過多年的了一臺被稱為“Natural Engine”的駐波熱機(jī)[26]。年，Weatley 的同事 Swift 教授繼續(xù)對駐波熱機(jī)進(jìn)行研究，他設(shè)為 4.32m 的大型駐波熱聲發(fā)動機(jī)[27]，該熱機(jī)管內(nèi)徑為 1270mm為 He，充氣壓力為 1.34Mpa，加熱功率為 7KW，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表630W 的聲功，熱效率為 9%，這項(xiàng)工作證明了線性熱聲理論對機(jī)的實(shí)際工況具有很好的適用性。

隨后他們又針對負(fù)載對熱機(jī)的特性影響展開研究工作。1234 56TTT冷卻水抽空置換接脈管充放氣TTT冷卻水1 內(nèi)加熱棒 2 高溫氣庫 3 外加熱圈4 熱聲板疊 5 冷卻器 6 諧振管圖 1.3 對稱性駐波熱聲發(fā)動機(jī)Fig. 1.3 The symmetric standing-wave thermoacoustic engine，美國研究人員 Garrett 和 Chen 等人首次利用太陽能聚光裝熱機(jī)進(jìn)行加熱，如圖 1.4 所示，成功獲得強(qiáng)度為 120dB 的聲波陽能驅(qū)動的熱聲發(fā)動機(jī)，彰顯了熱聲發(fā)動機(jī)在低品位熱源利用。
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 李東輝;羅二倉;陳燕燕;吳張華;;氣-液雙作用行波熱聲發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)特性的研究[J];工程熱物理學(xué)報(bào);2013年12期

2 張曉東;余國瑤;朱尚龍;戴巍;羅二倉;;高頻熱聲駐波發(fā)動機(jī)性能的實(shí)驗(yàn)研究[J];低溫與超導(dǎo);2008年04期

3 楊梅,羅二倉,李曉明,凌虹,胡勤國,陳國邦,吳劍峰;同軸型行波熱聲熱機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究[J];低溫與超導(dǎo);2002年04期

4 羅二倉;回?zé)崞鞯臒崧曋绷髂Ｐ图捌湫?yīng)研究[J];工程熱物理學(xué)報(bào);2002年04期

5 韓飛，岳國森，沙家正;Rijke熱聲振蕩的非線性效應(yīng)[J];聲學(xué)學(xué)報(bào);1997年03期

6 韓飛，沙家正;Rijke管熱聲非線性不穩(wěn)定增長過程的研究[J];聲學(xué)學(xué)報(bào);1996年04期

本文編號：2854736