熱聲理論是一門研究由流場、聲場以及熱量傳遞轉換的多物理場學科理論,而由熱聲理論作為支撐而興起的熱聲發(fā)動機技術是近三十年來科學研究領域的一個新的熱點。熱聲發(fā)動機相比于傳統(tǒng)的機械發(fā)動機具有明顯的優(yōu)勢,例如采用環(huán)保工作介質,無任何污染,符合綠色發(fā)展理念;無機械運動部件,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行供能,有利于優(yōu)化能源體系結構,提高能源的利用率。早期的熱聲發(fā)動機研究以純駐波或純行波發(fā)動機為主,但是均發(fā)現(xiàn)熱效率低下,無法與傳統(tǒng)的發(fā)動機相比,直到斯特林熱聲發(fā)動機的出現(xiàn)才改變了這一現(xiàn)狀,使得熱聲發(fā)動機的實用化預期能夠實現(xiàn)。但是目前來說,針對熱聲發(fā)動機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)內的聲場分布特性要有更為深入的理解和認知,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)學模型的分析解十分困難,故需借助計算機進行數(shù)值求解計算,本文采用有限單元法對所建立的數(shù)學模型進行數(shù)值求解。有限元法一開始多應用于結構力學的分析,后來逐漸拓展到聲學以及流體力學等領域的分析當中,而今已成為研究領域應用最為廣泛的數(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雜系統(tǒng),因此將有限元法應用到熱聲數(shù)值模擬當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)學模型轉換成加權余量方程,進而導出熱聲有限元數(shù)學求解模型。通過結合熱聲系統(tǒng)的實際邊界條件,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)動機物理模型進行一定的簡化并運行求解程序,得到了熱聲系統(tǒng)內部各個物理量二維分布特性,尤其是在管徑方向的分布特性,并針對熱聲的幾個主要部件,如諧振管、回熱器進行了具體分析,并對結果中出現(xiàn)的一些現(xiàn)象做出了初步分析和闡述。
【學位單位】：遼寧科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TK05
【部分圖文】：

這種現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)也被公認為是熱聲學的開端[1]，而這種管子也被稱為“Higgins Tube”。而在同一時期，歐洲的一個吹玻璃工人也發(fā)現(xiàn)了一個奇怪現(xiàn)象：當把加熱的玻璃球放置于到中空的玻璃管上時，玻璃管道的尖端部位處有時會奇怪的聲響，這其實也是由于熱聲原理造成的。但此后時隔七十余年，熱聲學才有了進一步的研究探索。1850 年，德國物理學家 Karl Friedrich Julius Sondhuass 進行了一項新的熱聲實驗：他準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，荷蘭物理學家 Petrus Leonardus Rijke 又對 Higgins 管進行了改造，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)象進行了定性分析，這就是著名的“Rijke振蕩”，而這項實驗也被許多大學用于在課堂演示。

美國研究學者 Cater 和他的學生們針對 Sondhauss 管的改進他們在原來的空管中的某一處位置上添加了一束細管，結果發(fā)顯的增強，這束細管的作用其實就相當于后來比較成熟的駐波-板疊。Cater 等人的這項成果讓熱聲界誕生了第一臺有聲功輸年，美國 Los Alamos 實驗室的 Weatley 帶領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合就能設計出一種全新的駐波熱聲發(fā)動機，經(jīng)過多年的了一臺被稱為“Natural Engine”的駐波熱機[26]。年，Weatley 的同事 Swift 教授繼續(xù)對駐波熱機進行研究，他設為 4.32m 的大型駐波熱聲發(fā)動機[27]，該熱機管內徑為 1270mm為 He，充氣壓力為 1.34Mpa，加熱功率為 7KW，實驗結果表630W 的聲功，熱效率為 9%，這項工作證明了線性熱聲理論對機的實際工況具有很好的適用性。

隨后他們又針對負載對熱機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進行加熱，如圖 1.4 所示，成功獲得強度為 120dB 的聲波陽能驅動的熱聲發(fā)動機，彰顯了熱聲發(fā)動機在低品位熱源利用。
【參考文獻】

相關期刊論文 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)動機實驗特性的研究[J];工程熱物理學報;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)動機性能的實驗研究[J];低溫與超導;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的實驗研究[J];低溫與超導;2002年04期

4 羅二倉;回熱器的熱聲直流模型及其效應研究[J];工程熱物理學報;2002年04期

5 韓飛，岳國森，沙家正;Rijke熱聲振蕩的非線性效應[J];聲學學報;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];聲學學報;1996年04期

本文編號：2854736