（制冷及低温工程专业论文）驻波型热声发动机性能强化及其驱动脉管制冷特性研究.pdf

浙江大学博士学位论文 驻波型热声发动机性能强化及其驱动的脉管制冷特性研究 包锐 ( 浙江大学制冷与低温研究所，杭州，3 1 0 0 2 7 ) 摘要 热声发动机利用热声效应把热能转换为声能，具有结构简单、运行可靠、以热能驱 动和工质环保等突出优点，与脉管制冷机耦合在一起可构成从室温到低温完全没有运动 部件的热驱动制冷系统，是一项具有应用前景的新技术。为进一步强化热声发动机的输 出性能，进而降低热声驱动脉管制冷机的制冷温度，本文针对以下几个方面开展了理论 和实验研究工作： 1 采用锥形谐振管的热声发动机的数值模拟和实验研究利用线性热声理论，对一台 采用锥形谐振管的驻波型热声发动机进行了数值模拟，发现采用锥形谐振管可有效 降低工质气体的速度振幅，进而减小在谐振管中声功率的损失；与一台在相同频率 下工作的采用等直径圆柱谐振管的驻波型热声发动机进行了实验对比，结果表明， 在使用锥形管作为谐振管的热声发动机系统中，谐振管中的非线性效应得到了职显 的抑制，热声发动机在基频模式下稳定运行，压比增大而加热温度降低。 2 ，声压放大器的声学原理分析及数值模拟和实验研究从声学原理出发，分析得出对 于一根长四分之一波长的理想声压放大器，可以在其封闭端得到一个明显高于开口 端的压比。根据线性热声理论的数值模拟和实验研究都验证了声压放大器对压力波 的放大作用，考虑到非理想条件下声压放大器内部的各种损失，其末端压力振幅取 得最大值所对应的长度小于理论分析得出的四分之一波长。 3 热声发动机驱动r c 负载的理论和实验研究利用线性热声理论对热声发动机驱动 r c 负载进行了数值模拟，着重分析了负载阻抗对r c 负载入e l 处和板叠热端处各参 数的影响，实验研究了r c 负载阻抗以及平均压力对热声驱动r c 负载的影响。此 外还进行了带声压放大器的热声发动机驱动r c 负载的数值模拟和实验研究。通过 理论计算初步总结了带声压放大器的热声发动机与r c 负载的耦合关系，指出声压 放大器的长度对热声发动机驱动r c 负载具有重要影响，不同长度的声压放大器有 i 浙江大学博士学位论文 可能会在其入口处产生反向的压力振动：当热声发动机向r c 负载传递的声功率最 大时，r c 负载入口处压力振动与速度振动的相位差不再为- - 4 5 0 。 4 带声压放大器的驻波型热声发动机驱动脉管制冷机实验研究采用声压放大器作 为热声发动机与脉管制冷机的新耦合机制，有利于脉管制冷机获得更低的制冷温度。 当加热功率为1 4k w ，采用长3 3m 内径8m i l l 的声压放大器时，脉管制冷机回热 器入口处的压力振幅达到o 1 8 1m p a ，压比1 1 5 2 ，脉管制冷机最低制冷温度从8 8 6 k 降为7 9 7k ，在1 2 0k 获得了2 4 3 6w 的制冷量。通过对热声发动机加热器、水 冷却器和高温气库的改进，采用长3 41 1 1 内径81 1 的声压放大器耦合新设计的u 型脉管制冷机，当加热功率为1 8k w 时，脉管制冷机回热器入口处的压力振幅达到 o 2 1 4m p a ，压比1 1 7 9 ，脉管制冷机最低制冷温度5 6 4k ，是目前国内外公开报道 采用驻波型热声发动机驱动脉管制冷机所获得的最低制冷温度。 关键字：热声学，驻波型热声发动机，脉管制冷机 浙江大学博士学位论文 p e r f o r m a n c ee n h a n c e m e n to fs t a n d i n g - w a v et h e r m o a c o u s t i c e n g i n ea n dt h e r m o a c o u s t i c a l l yd r i v e np u l s et u b er e f r i g e r a t i o n b a o i t u i ( c r y o g e n i c sl a b o r a t o r y , z b e j i e o gu n i v e r s i t y , h a n g z h o u31 0 0 2 7 ，p r c h i n a ) a b s t r a c t at h e n n o a c o u s t i ee n g i n e ，w h i c hc o n v e r t sh e a t e n e r g y t oa c o u s t i c w o r k ，o c c u p i e s a d v a n t a g e s o fs t r u c t u r e s i m p l i c i t y , r e l i a b i l i t y , h e a t d r i v e nm e c h a n i s m , e n v i r o n m e n t a l f r i e n d l i n e s sa n ds oo n d u et on om o v i n gc o m p o n e n t sf r o ma m b i e n tt o c r y o g e n i c t e m p e r a t u r e s ，t h en o v e lt e c h n o l o g yo ft h e r m o a c o u s t i e a l l yd r i v e np u l s et u b er e f r i g e r a t o rh a sa b r i g h tp r o s p e c to fa p p l i c a t i o n i no r d e rt 0e n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h et h e r m o a c o u s t i c e o c e n ea n dt od e c r e a s et h er e f r i g e r a t i n gt e m p e r a t u r e ，t h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lw o r ko f t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ef o l l o w i n gs e c t i o n s ： 1 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nat h e r m o a e n u s t i ce n g i n e w i t ht a p e r e dr e s o n a n c et u b ea s y m m e t r i c a ls t a n d i n g - w a v et h e r m o a c o u s t i ce n g i n e 、i t l lt a p e r e dr e s o n a n c et u b eh a sb e e nn u m e r i c a l i l ys i m u l a t e d 、i t l ll i n e rt h e r m o a c o u s t i c s t h es i m u l a t i o ns h o w st h a tu s i n gt a p e r e dr e s o n a n c et u b ei nt h e r m o a c o u s t i ce n g i n ec o u l d d e c r e a s et h ev e l o c i t ya m p l i t u d ea n dl o w e rt h et o t a la c o u s t i cp o w e rl o s si nt h er e s o l l a n c e t u b e t h ee p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h eh a r m o n i cw a ss u p p r e s s e de f f e c t i v e l yb y u s i n gt h et a p e r e dr e s 0 1 1 a i l c et u b e ，a n dt h ep r e s s u r er a t i ow a si m p r o v e d 。 2 a c o u s t i c sp r i n c i p l ea n a l y s t s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n o i la na c o u s t i cp r e s s u r ea m p l i f i e r b a s e do na c o u s t i c sp r i n c i p l e ，f o ra ni d e a lo n e q u a r t e rw a v e l e n g t ha c o u s t i cp r e s s u r ea m p l i f i e rw i t ho n ee n do p e na n dt h eo t h e rc l o s e d ，a m u c hb i g g e rp r e s s u r er a t i oc o u l db eo b t a i n e da tt h ec l o s e de n d t h ea m p l i f i c a t i o ne f f e c t o ft h ea c o u s t i cp r e s s u r ea m p l i f i e rh a sb e e nv a l i d a t e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t l ll i n e a r t h e r r n o a c o u s t i c sa n de x p e r i m e n t s t a k i n gt h ed i s s i p a t i o ni n t h ea c o u s t i c p r e s s u r e a m p l i f i e ri n t oa c c o u n t ，t h el e o g t ho ft h ea c o u s t i cp r e s s u r ea m p l i f i e rf o rt h em a x i m a l 浙江大学博士学位论文 p r e s s u r er a t i oi sl e s st h a no n eq u a r t e rw a v e l e n g t h 3 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o n t h e r m o a c o u s t i e a l l y d r i v e nr cl o a d t h es t a n d i n g - w a v et h e r m o a c o u s t i ce n g i n ec o n n e c t e dw i t ha nr c ( r e s i s t a n c e a n d c o m p l i a n c e ) l o a d h a sb e e n n u m e r i c a l l y s i m u l a t e dw i t hl i n e a r t h e r m o a c o u s t i c s a c c o r d i n gt ot h ec o m p u t e dr e s u l t s ，t h ei n f l u e n c eo ft h ei m p e d a n c eo f r cl o a do nt h ep a r a m e t e r sa tr cl o a di n l e ta n da tt h eh o te n do ft h es t a c kh a sb e e n a n a l y z e d t h ei n f l u e n c eo fi m p e d a n c eo fr cl o a da n dm e a np r e s s u r eo nt h ep e r f o r m a n c e o ft h e r m o a c o u s t i c a l l yd r i v e nr cl o a dh a v eb e e ne x p e r i m e n t a l l yc a r r i e do u t n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nt h e r m o a c o u s t i c a l l yd r i v e nr cl o a dw i t ha n a c o u s t i c p r e s s u r ea m p l i f i e r h a sb e e np e r f o r m e d t h ec o u p l i n gr e l a t i o no ft h e t h e r m o a c o u s t i ce n g i n ew i t ha na c o u s t i cp r e s s u r ea m p l i f i e ra n dt h er cl o a dh a sb e e n d i s c u s s e d t h ea c o u s t i cp r e s s u r ea m p l i f i e rl e n g t hp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nt h es y s t e m r e v e r s e dp r e s s u r eo s c i l l a t i o nm a yo c c u ra tt h ei n l e to ft h ea c o u s t i cp r e s s u r ea m p l i f i e r w i t hd i f f e r e n ta c o u s t i cp r e s s u r ea m p l i f i e rl e n g t h v 们l l e nam a x i m a la c o u s t i cp o w e ri s d e l i v e r e dt ot h er cl o a d ，t h ep h a s ed i f f e r e n c ei sr i ol o n g e ro f - - 4 5 0b e t w e e np r e s s u r e a n dv e l o c i t yo s c i l l a t i o na tt h el o a di n l e t 4 e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nt h e r m o a e o u s t i e a l l yd r i v e np u l s et u b er e f r i g e r a t o r w i t hn i la c o u s t i cp r e s s u r ea m p l i f i e r i n c o r p o r a t i n gw i t h a na c o u s t i c p r e s s u r e a m p l i f i e ri nas t a n d i n g - w a v et h e r m o a c o u s t i c a l l yd r i v e np u l s et u b er e f r i g e r a t o rs y s t e mi s p r o p i t i o u st of u r t h e rd e c r e a s et h ec o o l i n gt e m p e r a t u r e w i t h1 4k wh e a t i n gp o w e r , a c o p p e rt u b eo f3 3m i nl e n g t ha n d8m i l li ni n n e rd i a m e t e ra st h ea c o u s t i cp r e s s u r e a m p l i f i e r , ap r e s s u r ea m p l i t u d eo fo 1 8 1m p a , ap r e s s u r er a t i oo f1 1 5 2h a v eb e e n o b t a i n e da tt h ei n l e to ft h ep u l s et u b er e f r i g e r a t o r ac o o l i n gt e m p e r a t u r eo f7 9 。7k ( d e c r e a s e df r o m8 8 6k ) a n dac o o l i n gp o w e ro f2 4 3 6w a t1 2 0kw e r er e a c h e d m o d i f i c a t i o n so ft h eh o te n dh e a te x c h a n g e r , t h ew a t e rc o o l e ra n dt h eh o tb u f f e ro ft h e t h e r m o a c o u s t i ce n g i n ew e r ec a r r i e do u tt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e c o u p l i n gan e w l y d e s i g n e du s h a p e dp u l s et u b er e f r i g e r a t o rw i t ha na c o u s t i cp r e s s u r ea m p l i f i e ro f 3 4mi n l e n g t ha n d8 舢1i ni n n e rd i a m e t e r , 1 8k wh e a t i n gp o w e r , t h ep r e s s u r ea m p l i t u d eo f o 2 1 4m p aa n dp r e s s u r er a t i oo f1 1 7 9h a v eb e e no b t a i n e d a sar e s u l t , ac o o l i n g t e m p e r a t u r ea sl o wa s5 6 4kw a so b t a i n e d w h i c hi st h el o w e s ts of a ra c h i e v e db ya 浙江大学博士学位论文 s t a n d i n g - w a v et h e r m o a c o u s t i c a l l yd r i v e np u l s et u b er e f r i g e r a t o r k e yw o r d s ：t h e r m o a c o n s t i e s ，s t a n d i n g - w a v et h e r m o a c o u s t i ce n g i n e , p u l s et u b e r e f r i g e r a t o r v 街江大学博士学位论文 英文字母 a面积 a 声速 c声容 勺 定压比热容 e2 7 1 8 2 8 厂 频率空间平均热粘性函数 工 粘滞函数 热函数 日 焓 i虚数单位 i m复数虚部 k 热导率 p 压力 p r普朗特数 b声压反射系数 聂声阻 r e复数实部 丁温度 t h d 总谐波畸变率 t时间 【，体积速度 口速度的x 方向分量 v体积 w 功 工沿声传播方向的位置 z 声阻抗 主要符号表 v i 希腊字母 r比热容比 日 相位角 a 波长 石 圆周率3 1 4 1 5 9 p 密度 角频率 上标与下标 1一阶量 2二阶量 a 幅度 a p a i n 声压放大器入口 a p a o u t 声压放大器出口 f 入射波 l o a d负载 m平均值 ， 反射波 r e s i n 谐振管入口 s o l i d 固体材料 w c o u t 水冷却器出口 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝望盘堂或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：笔乡；0 签字日期； 触7 年f 月圩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堑垄盘鲎有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本 人授权逝至三盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名； 如) 别 导师签名： 签字日期：砂7 年f 月玎日签字日期：j u 7 年c 月1 厂日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学博士学位论文 1 1 课题背景与研究意义 第一章绪论 低温制冷技术在现代工业和军事技术中扮演着重要的角色，其应用遍及航空航天、 信息技术、生物医疗、食品与卫生等各个角落，某些应用场合对低温制冷机的体积、重 量、稳定性、可靠性、寿命、效率等提出了很高的要求【 】。传统回热式低温制冷机， 如g - m 制冷机【4 1 、s t i r l i n g 制冷机【5 ，6 1 等，由于在室温端和低温端均存在运动部件，无法 完全满足上述要求。 近年来，基于交变流动的回热式制冷方法取得重大进展。上世纪八十年代末迅速发 展起来的脉管制冷机，由于去除了低温端的运动部件崩 出器，避免了低温下的滑动 密封、机械磨损等问题，不仅使可靠性提高，而且热效率也达n ts t i f l i n g 制冷机的水 平，两级机的制冷温度可低至2k 以下f 7 1 。然而，驱动脉管制冷机的机械式压缩机中仍 然存在许多运动部件，这成为其可靠性和寿命的限制因素。 与此同时，基于热声工作机制的热声发动机和热声制冷机的研究也取得诸多重要进 展，在过去的十年时间里，仅在美国就有3 项关于热声转换的研究工作获得了美国“r & d 1 0 0 ”刿1 8 9 1 。热声发动机的出现为解决长寿命运行问题提供了新的方案，因为热声发 动机仅由管件和换热器构成，利用工质声场固有的压力、速度和位移振动结合适当的固 体边界条件，实现热能向机械能的转换，整机除了振动的工作流体外，没有任何机械运 动部件。1 9 9 0 年，美国国家标准与技术研究院( n i s t ) 的r a d e b a u i g h 和l o sa l a m o s 国 家实验室( i a l ，) 的s w i f t 联合提出采用热声发动机代替传统的机械式压缩机驱动脉 管制冷机1 1 0 1 。这是一种新概念的制冷技术，由于热声发动机在室温端不存在任何运动部 件，脉管制冷机在低温端也没有运动部件，由此构成了从室温到低温完全无运动部件的 制冷系统，可以获得高可靠性运转；加之，热声发动机机可采用热能( 燃气，太阳能， 废热等) 作为驱动源，可以实现对低品位能源的利用，对于电能缺乏而热能富集的场合 具有实用意义；此外，采用氦、氩、氮等惰性气体作为工质，无环境污染，完全符合目 前制冷技术中禁用c f c s 和h c f c s 的要求，顺应了环保制冷的发展趋势。热声驱动脉管 制冷技术具有广泛的应用前景，特别是用于多沙漠、远洋及近海平台和深山气井等缺乏 电能的场合，也适用于小型天然气液化、城市能源调峰谷等，在车用清洁发动机燃料、 浙江大学博士学位论文 石油气液化分离、掩埋式垃圾场可燃性气体回收利用以及空调、冰箱等领域的应用前景 日益明朗化。目前，最好的热声发动机的转换效率已接近内燃机的水平【9 】，热声驱动的 脉管制冷也已突破了液氢温度f i ，住i ，而室温熟声制冷机的效率也在逼近蒸汽压缩制冷循 环的水平 1 3 - 1 5 】。 总之，热声机械是一种完全新型的热力机械，它没有运动部件，所采用的工质完全 环保，可采用热能驱动，近期研究所取得的巨大进展，向人们展示了热声机械诱人的应 用前景。为进一步提高其效率，推进其工程化进展，尚需要进行诸多深入的理论研究和 实验工作。正是在这样的背景下，本文开展了驻波型热声发动机性能强化及其驱动脉管 制冷特性的研究工作。 1 2 热声发动机的实验研究进展 虽然上个世纪才出现了热声热机，但人们早在2 0 0 多年以前就已经发现了热声现象。 1 7 7 7 年，在氢气才发现不久，b y r o nh i g g i n s 把氢气灯火焰置入一个直立粗管中一定的 位置，会激发出声音，这是历史上称为“歌焰”的第一次出现，也是热声效应的发现 。 虽然当时受到广泛注意，但其原理一直未得解释。高烟囱或炉膛中的火焰有时引起强烈 噪声和强烈振动以致造成严重破坏，现在我们知道其原因就是h i g g i n s 管作用【1 ”。在第 二次世界大战中纳粹德国使用的v l 导弹，在飞行中发出强烈怪声，造成恐慌，所利用 的也就是h i g g i n s 管的原型17 1 ，另外脉动燃烧技术也是发源于此【1 8 】。 十八世纪中叶，欧洲的吹玻璃工人发现，在长1 2c m 至1 5c m 的细玻璃管吹一个直 径2c m 的热玻璃泡时会发出声音f l 舛。s o n d h a u s s 对此进行了深入细致的研究，他证明了 发声与玻璃无关，并定量地取得了发声频率与圆泡、细管尺寸的关系。他提出h i g g i n s 管不是热声源的唯一形式，并在1 8 5 0 年创造了一段封闭，在封闭端加热以发声的 s o n 曲u a $ s 管【2 们。 1 8 5 9 年，r j j k e 发明了用加热的金属丝网代替火焰发展了h i g g i n s 管，并对这种以 后被称为r i j k e 振荡的现象进行了定性分析【2 1 】。r i j k e 管发声宏大，倍音丰富，人称“啸 声管”，一直用于大学物理课程的课堂演示【2 2 1 。图1 ，1 分别给出了h i g g i n s 管，s o n d h a u s s 管和m j k e 管的示意图。 实际上，s o n d t m u s s 管是驻波型热声发动机的雏形，而j k e 的工作则是对行波型热 声发动机的初步探索。根据核心部件板叠所处的声场类型，热声发动机可分为驻波型、 2 浙江大学博士学位论文 声音输出 c o ) 声音输出 ( c ) 图1 1 早期热声管示意图 ( a ) h i g g i n s 管( b ) s o n d h a u s s 管( c ) 剐k e 管 行波型以及驻波一行波级联型三大类。下面我们针对这三种形式简单介绍一下热声发动 机的实验研究进展。 1 2 1 驻波型热声发动机的实验研究进展 当代实验热声学的一个重要里程碑是由c a r t e r 和他的同事在1 9 6 2 年实现的【1 9 1 。他 们在对s o n d h a u s s 管进行了改进，在管中的加入适当的结构，可以大大增强管内的热声 效应。这是自1 9 1 7 年以来在s o n d h a u s s 振动上所做的首次实验性工作【2 0 】。f e l d m a n 根据 c a r t e r 等人的想法，在他的博士论文中研制出世界上第一台具有显著声功输出的驻波型 热声发动机，以6 0 0 w 的加热功率获得了2 7 w 的声功率【2 3 1 ，标志着人们进入了具有实 用意义热声机械的研究阶段。 二十世纪八十年代处，美国l o sa l a m o s 国家实验室的研究小组在w h e a t l e y 领导下 开展了热声热机的研制工作。w h e a t l e y 认为，声谐振驻波和表面泵热效应的结合可以形 成一种全新的发动机。由于其中的气体热声效应和固体介质与气流之间所需的时均相位 差都是通过自发的不可逆过程特别是由温差传热过程得到，因此被称作自发发 动机( n a t u r a le n g i n e s ) 【2 4 1 。这恰恰正是热声发动机与s t i f l i n g 发动机之间最重要的区别。 s t i r l i n g 发动机需要外在的机械来保证压缩活塞与膨胀活塞之间合适的相位；而热声发动 机能够自发调节相位，因此具有无运动部件，结构简单，可靠性强的优点。 1 9 9 2 年，该小组的s w i r 等人建立了一台直径1 2 7 衄，长4 3 2 0 蚴的驻波型热声 3 川 浙江大学博士学位论文 图1 2s w i f t 的驻波型热声发动机示意图【2 5 】 发动机，如图1 2 所示。他们采用1 3 8m p a 的氦气为工质，加热功率7k w 条件下，产 生了6 3 0w 的声功，热效率为9 2 5 1 。 这一时期，日本的m a t s u b a r a ，朱绍伟和周淑亮等人开展了驻波型热声发动机的研 究工作。他们建立起一台采用铜丝网作为热声板叠材料的双边驱动对称型驻波热声发动 机 2 6 , 2 7 1 ，如图1 3 所示。他们研究并测量了在一定的输入功率、加热温度和压力振幅下 气体性质、频率、平均压力、丝网尺寸和板叠长度对整机性能的影响。针对丝网目数的 优化实验发现，工作气体的热渗透深度与丝网的水力半径之比约为o 3 5 时可提供驻波热 声效应所需的适当的不良热接触，获得较好的热声转换性能。在实验中发现了热声振荡 中的高次谐波和二次倍频现象。采用r c 负载法测量了该热声发动机的输出特性，在加 热功率、加热温度和工作频率分别为8 3 3 w 、7 0 0 k 和7 3 h z 条件下，获褥了2 6 w 的最大 声功率输出。 1 9 9 8 年，美国宾夕法尼亚州立大学的c h a r t 和g a r r e t 建成了世界上首台太阳能驱动 的驻波型热声发动机口s - 3 0 ! ，如图1 4 所示。他们以一根长4 0 c m ，一段开口的试管作为 谐振管，采用直径为3 英尺的透镜将太阳光聚焦到由陶瓷材料制成的热声板叠的一端进 行加热。当发动机稳定工作时，会产生四分之一波长模式的气体振荡，频率为4 2 0h z ， 在距离开口端lm 处可以测得1 2 0d b 的声波。虽然这仅是一台小型的演示性实验装置。 效率很低，但它验证了以太阳能作为驱动源的可行性。采用太阳能为热源的热声技术更 加显著地体现出清洁、环保、节能等优点。 在国内，浙江大学陈国邦等人所开展的驻波型热声发动机研究最具代表性。他们的 4 浙江大学博士学位论文 52 热墙按热兽 “) 一 。 i ：匿量重季 键蝗墨懑射爰晒 图1 3m a t s u b a r a 等的对称型驻波热声发动机示意图2 7 l 图1 4c h a n 等的太阳能驱动驻波热声发动机【2 7 】 热声发动机研制工作始于1 9 9 5 年底，1 9 9 6 年6 月建立了一台采用黄铜丝网热声板叠的 对称型双边驱动热声发动机，并且第一次试机就成功地获得了热声振荡【3 ”。之后，对实 验台开展了系统的实验研究和优化工作，着重研究了结构参数( 谐振管长度、板叠目数 和填充率等) 和运行参数( 加热温度、加热功率、充气压力、工质种类等) 两方面因素 对驱动器的特性( 输出振幅、压比、频率等) 的影响情况p 2 4 6 】。针对丝网型板叠，在 m a t s u b a r a 等人优化丝网目数的基础上，进一步提出了丝网板叠填充率的概念( 单位长 度所装填的丝网片数，对丝网板叠的轴向和横向传热以及流动阻力等具有综合影响) 1 3 2 1 ， 实现了丝网板叠的量化装填，通过优化丝网板叠填充率提高了热声发动机的性能。开展 了热声驱动器的热声起振与消振行为的研究工作，提出并实验验证了热声起振和消振过 程中存在“滞后回路”，发现热声起振和消振过程中的临界温度和临界功率都存在滞后 现象，并且发现滞后现象受充气压力的影响。针对该特性提出了电加热启动和热源驱动 的混合驱动方案p ”。在理论计算的基础上实验验证了缓冲器的体积和布置方式对驻波型 热声发动机谐振频率的影响，为热声系统谐振频率的调节提供了新的方法i 川。理论计算 5 浙江大学博士学位论文 表明适当增加谐振管长度可降低热声发动机的工作频率，增大其输出压力波振幅和压 比，有利于驱动脉管制冷机获得更低的制冷温度f 3 5 1 。经过系统的实验研究，采用的最高 工作压力为2 0 m p a ( 充气压力约为1 6 m p a ) ，最高加热温度为4 5 0 0 ，当谐振管长度为 4 m 时，以氦气和氮气为工质时，获得的最大压比分别达1 0 6 和1 1 0 ，频率分别为7 0 h z 和2 5 h z 。这是当时国内首台能获得足够声功用以驱动脉管制冷机的驻波型热声发动机 【3 7 1 。 驴2 2 行波型热声发动机的实验研究进展 1 9 7 9 年，美国g e o r g em a s o n 大学的c e p e r l e y 首先提出了一种无活塞的s t i f l i n g 热机 【3 8 】，也就是现在所说的行波型热声发动机。他意识到s t i f l i n g 热机回热器中工质振荡的 压力与速度的相位同行波的相位是一致的，因此可以消除s t i r l i n g 热机中的运动部件， 而用声波来控制气体的运动和压力波动。由于行波的压力和速度振荡具有相同的相位， 工质微团的压缩膨胀与换热过程自然分离，换热过程理论上完全可逆，有望获得更高的 热力学效率。然而，c e p e r l e y 在验证实验中，由于采用了不适当的阻抗，未能实现预料 中的声功增益口9 】。但行波型热声机械概念的提出，为提高热声机械的效率提供了新的思 路。 图1 5y a z a l d 等的太阳能驱动驻波热声发动机删 1 9 9 8 年，根据c e p e r l e y 的构想，y a z a k i 等人搭建了一台新型热声驱动器并首次在 环路中观察到了行波形式的自发气体振荡【删，如图1 5 所示。虽然效率较低，但它验证 了行波型热声发动机的可行性。他们还通过实验比较了行波型和驻波型热声发动机的自 6 新江大学博士学位论文 激振荡边界，验证了两种类型热声发动机对工作气体与固体边界热接触条件的不同要 求。c e p e r l e y 和y a z a k i 等都意识到环路行波型热声发动机由于板叠处声阻抗低，工作气 体振动速度较大，造成了严重的粘滞耗散损失，严重限制了行波型热声发动机效率的提 高。 1 9 9 9 年，b a c k h a u s 和s w i r 在 n a t u r e ) 上报道了一台新型行波型热声发动机，称 其为热声s t i r l i n g 发动机【9 1 ，如图1 6 所示。该热声s t i f l i n g 发动机遵循了c e p e r l e y 的最 初设想，通过把驻波谐振支路引入行波环路，使得回热器处的声学阻抗提高了1 5 3 0 倍，从而大大减d , t 回热器处的粘滞耗散损失1 4 1 l ；同时克服了c e p e r l e y 未能考虑到的环 路结构中可能会发生的g e d e o n 直流4 2 】以及由边界层效应引起的r a y l c i g h 直流【4 3 1 。该系 统为可逆的s t i f l i n g 循环，热力学效率明显高于本征不可逆的驻波系统。实验结果表明， 其热效率达到o 。3 0 ，能够以4 1 的相对c a m o t 效率向谐振管输出7 i o w 的声功率，其值 已可同内燃机( 热效率o 2 5 0 4 ) 和传统的活塞式s t i f l i n g 发动机( 热效率o 2 0 0 3 8 ) 相 媲美 9 , 4 1 1 。可见，热声s t i r l i n g 发动机是一项开创性的研究成果，s w i f t 和b a c k h a u s 因此 成果荣获1 9 9 9 年美国“r & d1 0 0 ”奖。 ( a ) 热声s t i f l i n g 发动机( b ) 环路结构示意图【9 1 图1 6 热声s t i f l i n g 发动机及其环路结构 高效热声s 伽i g 发动机的研制成功极大地激发了研究者对行波型热声发动机的兴 趔 4 5 2 1 。m a t s u b a r a 和戴巍等人提出采用对称布置的由弹簧支撑的固体活塞代替谐振 管和反馈回路惯性管【5 1 i ，这种构型为热声s t i r l i n g 发动机的小型化提供了新思路，但它 损害了热声发动机完全无运动部件的优点。2 0 0 3 年，浙江大学邱利民等人建成国内第一 7 浙江大学博士学位论文 台热声s t i f l i n g 发动机 4 9 , 5 0 ，以氮气为工质，在充气压力为0 9m p a 时最大压比达到1 2 1 ， 以氦气为工质，充气压力为2 0m p a 时最大压比为1 1 9 【5 3 】：并且在实验研究中采用充放 气的外加扰动方法降低了热声系统的起振温度，有助于热声发动机实现对低品位能源的 利用瞰】。同年，浙江大学杨梅和中科院理化所罗二仓等人建成了一台同轴型行波热声发 动机，他们将热缓冲管和阻性管套在回热器和容性管中形成同轴布置，取消了用于引入 行波的环形管，结构紧凑，有效地减d , y 系统尺寸，有利于热声发送机小型化，同时避 免了环路结构造成的局部管段热膨胀问题。以氮气为工质，充气压力为2 0m p a ，系统 在1 0 5 起振【4 8 】。 2 0 0 5 年，罗二仓等人报道了一台聚能型行波热声发动机56 1 。他们采用长3m ，小 头和大头直径分别为8 0r f l m 和2 0 01 1 1 1 1 1 的锥形管代替原热声s t i f l i n g 发动机的等直径谐 振管，有效地抑制了谐振管中声波的非线性传输和耗散，使得热声激励源产生的声能集 中在该热声系统的基频上，从而实现了声振动的强化。以1 5 2 m p a 的氦气作工质，在加 热温度约6 7 0 1 2 时，获得了1 3 0 的高压比【5 5 ，5 6 】。最近，他们又对该锥形管进行了改进 ( 如图1 ，7 所示) ，采用长5m ，小头和大头直径分别为8 0m n l 和3 0 0i l r l l 的锥形管，以 1 5m p a 的氮气为工质，在3k w 加热功率下，获得了1 4 0 的更高压比【卯】，这是目前所 报道的热声发动机实现的最大压比。 图1 7 聚能型热声s t m i n g 发动机1 5 7 】 1 2 3 驻波- 行波级联型热声发动机的实验进展 为了进一步提高热声发动机的输出压比和热力效率，2 0 0 3 年，g a r d n e r 和s w i r l 等 8 浙江大学博士学位论文 人提出了驻波行波级联型热声发动机，制成如图1 8 所示的样机【5 引。该级联型热声发动 机以驻波板叠作为第一级，以行波回热器作为第二级和第三级。第一级驻波板叠产生的 声功，一部分用于克服第一级本身以及其上部管路中交交流动的损失，另一部分传递给 第二级和第三级行波回热器进行声功逐级放大，再通过下部管路，将声功传递给负载。 整个级联型热声发动机系统为直线结构，既便于加工制造，又避免了g e d e o n 直流的影 响，理论估计可实现0 3 的热效率。遗憾的是，由于设计错误，热声发动机底部的缓冲 图1 8 驻波行波级联型热声发动机示意图【5 8 】 ( a ) 整机系统( b ) - - 级系统的局部放大图 9 浙江大学博士学位论文 器过小，结果热声发动机在5 0 0 的加热温度下仍无法起振【5 引。后来，采取在连接缓冲 器的管段内设置一根2 1 l m 的铝棒用以矫正声场，热声发动机终于起振并正常运行。该 级联型热声发动机在最佳工况下，可以0 2 的热效率向下部谐振管传递约2k w 的声功 率，相对c a r n o t 效率达到3 0 t 5 8 1 。g a r d n e r 和s w i f t 预言，通过采用平板型驻波板叠， 合理设计换热器和热缓冲管的结构尺寸，采用低热导率的材料制作具有温度梯度的管段 等改进措施，以3 1m p a 氦气作为工质，有望实现3 5 - 4 0 的相对c a m o t 效率【5 8 】。 2 0 0 6 年，中科院理化所的胡忠军和李青等人报道了一台微型化驻波一行波级联型热 声发动机5 9 ，删。他们的发动机采用第一级驻波级和第二级行波级的两级结构，总长1 2 m ，以氦气为工质，在4 7 0i - i z 下工作。当输入2 0 0w 加热功率，平均工作压力2m p a 时，其压力波峰峰值为o 0 4 8m p a t 6 0 j 。 1 3 脉管制冷机的研究进展 脉管制冷机是二十世纪6 0 年代新出现的低温制冷机，它消除了传统低温制冷机中 低温端的运动部件崩 出器，而用一根空管子取代，因此结构简单，