（制冷及低温工程专业论文）驻波型热声发动机性能强化研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 驻波型热声发动机性能强化研究 曹卫华 ( 浙江大学制冷与低温研究所，杭州，3 1 0 0 2 7 ) 摘要 热声发动机没有机械运动部件，工质不会污染环境，还可以利用低品位热能驱动。 它具有结构简单、运行可靠、无维修工作时间长等优点。采用热声发动机驱动脉管制 冷机从室温到低温完全没有运动部件，有望成为稳定可靠的长寿命低温制冷机，显示 出强大的生命力和发展潜力，倍受学术界和工业界的关注。 本文首先回顾了热声机械的发展历史及其应用前景，详细介绍了线性热声理论， 分析了研究非线性热声理论的重要性，并总结了非线性热声理论的研究进展。在此基 础上，重点开展了以下研究工作： 1 ) 简单介绍了热声模拟平台d e l t a e ( d e s i g ne n v i r o n m e n t f o rl o w - a m p l i t u d e t h e r m o a c o u s t i ce n g i n e s ) 的理论基础及其操作要领，并分析了它的优缺点。 2 ) 定义了压力放大器的概念，并分别对光滑理想管道、一端封闭的粘性管道和一端接 负载的粘性管道从理论上验证了它们的压力放大作用。将其应用于驻波型热声发动 机中，数值模拟及实验均说明；由于压力放大器内部存在较大的粘性耗损，使得其 实际最佳长度小于理论值( 即系统四分之一波长) ，而且还与热声发动机的加热功 率、工作压力以及负载等因素有关。 3 ) 对带压力放大器的热声发动机驱动r c ( 阻容) 负载进行了数值模拟和实验研究， 并对r c 负载法测声功进行了理论计算。理论计算表明：当声容等于声阻( 即p ：和 见的相位差为4 5 。) 时，负载入口声功最大。实验结果表明压力放大器不仅可以 放大压力，还能提高负载入口声功和热机的效率。热声发动机接入3 4 5 m 压力放大 器后，其效率由1 4 5 提高到3 3 2 4 ) 对带压力放大器的热声发动机驱动脉管制冷机进行了实验研究。实验得到了比无压 力放大器时更低的脉管制冷温度和更高的制冷量。当工作压力为2 4 6 5 m p a 时，得 到脉管最低制冷温度7 9 1 k ，这是目前驻波型热声发动机驱动脉管制冷机所能达到 的最低制冷温度。 5 ) 针对热声发动机接入压力放大器后，其热端温度偏高的问题，根据时均稳流方程 ( 1 a s f e ) 设计并制造了一台平行翅片式水冷器。实验中发现：翅片式水冷器可以 浙江大学硕士学位论文 获得比夹套式更低的热端温度，但由于其轴向长度过大，使得热声发动机出口压力 振幅和压比均略小。 关键词：热声驻波压力放大器脉管制冷机d e l t a e h 浙江大学硕士学位论文 i n v e s t i g a t i o no np e r f o r m a n c ee n h a n c e m e n t o fa s t a n d i n g - w a v e t h e r m o a c o u s t i ce n g i n e c a ow e t h u a ( c r y o g e n i c sl a b o r a t o r y , z h e j i a n gu n i v e r s i t y , h a n g z h o u3 1 0 0 2 7 p r c h i n a ) a b s t r a c t a t h e r m o a c o u s t i c a u yd r i v e np l u s et u b er e f r i g e r a t o ro c c u p i e so u t s t a n d i n ga d v a n t a g e so f s i m p l i c i t y , r e l i a b i l i t y , s t a b i l i t y , l o n g e v i t ya n ds oo n , d u et on om o v i n gp a r t sf r o ma m b i e n tt o c r y o g e n i ct e m p e r a t u r e s t h i sn e wc o n c e p tr e f r i g e r a t o r a t t r a c t sg r e a ti n t e r e s to fa c a d e m i c c i r c l e sa n di n d u s t r y t h i sp a p e rp r e s e n t sar e v i e wo fd e v e l o p m e n t sa n da p p l i c a t i o n so ft h e r m o a c o u s t i c e n g i n e s t h el i n e a rt h e r m o a c o n s t i c si si n t r o d u c e di nd e t a i l t h ei m p o r t a n c ea n dd e v e l o p m e n t o f t h en o n - l i n e a rt h e r m o a c o n s t i c sa r eb r i e f l ya n a l y z e d t h ef o l l o w i n gp r o g r a m e s 肿c a r r i e d 0 m ： 1 ) ap r o g r a mn a m e dd e l t a ei si n t r o d u c e df o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h e r m o a c o u s t i c s 2 ) t h ep r e s s u r ea m p l i f i e ri sd e f m e d t h ee f f e c t so fa ni d e a ls m o o t hp i p e ，av i s c o u sp i p eo f o n ee n dc l o s e da n dav i s c o u sp i p eo fo n ee n dc o n n e c t e dw i t hl o a do na m p l i f y i n g p r e s s u r ea r ea n a l y z e d ，r e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n t so 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 e n g i n eh a v ev a l i d a t e dt h a tt h eo p t i m u ml e n g t ho ft h ep i p ei sf a rs m a l l e rt h a nt h e c a l c u l a t e do n e ，a n dr e l a t e dw i t ht h ei n p u tp o w e r , w o r k i n gp r e s s u r e ，l o a da n ds oo i l 3 1t 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 ed r i v e nr c ( r e s i s t a n c ea n dc a p a c i t a n c e ) i o a d w i t l lt h ep r e s s u r ea m p l i f i e rh a sb e e nn u m e r i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d t h e c o m p u t a t i o nr e v e a l st h a tt h ea c o u s t i cp o w e ra tt h ei n l e to ft h el o a di sm a x i m u mw h e n t h er e s i s t a n c ei se q u a lt oc a p a c i t a n c e ( t h ep h a s ed i f f e r e n c eb e t w e e n p 2a n dp 3 i s4 5 d e g r e e ) t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v ed e m o n s t r a t e dt h a tt h ep r e s s u r ea m p l i f i e rn o t o n l ya m p l i f i e st h ep r e s s u r er a t i o ，b u ta l s oi m p r o v e st h ea c o u s t i cp o w e r t h ee f f i c i e n c yo f t h e m a c h i n e w i t h a l e n g t h o f 3 4 5 m p r e s s u r e a m p l i f i e r r i s e s f r o m1 4 5 t o3 3 2 4 ) t h es h a n d i n g - w a v et h e r m o a c o n s t i ce n g i n ed r i v e np u l s et u b er e f r i g e r a t o rw i t ht h e p r e s s u r ea m p l i f i e rh a sb e e ne x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d ac o o l i n gt e m p e r a t u r ea sl o wa s 7 9 1 kw i t haw o r k i n gp r e s s u r eo f2 4 6 5 m p ah a sb e e no b t a i n e dw h i c hi sa b o u t1 0 k l o w e rt h a nt h a tw i t h o u tt h ep r e s s u r ea m p l i f i e r 5 ) w ed e s i g n e da n dp r o d u c e daf i n n e d c o o l e ra c c o r d i n gt ot h et a s f e ( t i m e - a v e r a g e i i i 浙江大学硕士学位论文 s t e n d y - f l o we q m v m e n t ) t or e p i n et h eo l dj a c k e to n e t h et e m p e r a t u r eo b t a i n e da tt h e h o te n do ft h ef i n n e dc o o l e ri sl o w e rt h a nt h a to ft h eu s e do n e h o w e v e r , t h ep r e s s u r e a m p l i t u d ea n dp r e s s u r er a t i op r o d u c e db yt h e r m o a c o u s t i ce n g i n ed e c r e a s eb e c a u s et h e l e n g t h o f t h e n e w c o o l e r i s l o n g e r i n t h ea x i a l d i r e c t i o n t h a n t h e v a l u e o f s i m u l a t i o n k e y w o r d s ：t h e r m o a c o u s t i c s ，s t a n d i n g - w a v e ，p r e s s u r ea m p l i f i e r , p u l s et u b er e f r i g e r a t o r , d e l t a e i v 浙江大学硕士学位论文 4面积 n声速 a r g 取复数的幅角 c声容 f 。定压比热 e声功流 厂共振频率 日焓、高度 f虚数单位 i i n复数虚部 j 声强 k 波数热导率 k流体导热率 ，工长度 珂多变指数 n u努谢尔特数 p 压力 p r普朗特数 q 热流 r 声阻 ，水力半径 r e 雷诺数，复数的实部 s 比熵 t 时间 r温度 a t温差 v r温度梯度 1 4 速度 ( ， 周长体积流率 矿体积 主要符号表 v 声功率 沿声传播方向 沿声传播垂直方向 与y 相反方向 声阻抗 厚度渗透深度 声波长 角频率 效率 动力粘度 运动粘度 第二粘度 热膨胀系数 绝热指数 密度 比内能 粘性应力张量 上、下标 g 气体 j 固体 m 平均量 l一阶波动量 2二阶波动量 ，粘性相关 k 热相关 c r i t 临界值 取复数共轭 矿x y ，y z 子a 玎d p 善卢y p s 学号2 q 垒q 璺2 2 2 独创性声明 y 19 9 9 7 4 7 i 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她方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江盘鲎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：暂它锋 签字日期：亡“年。6 月略目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘茎有关保留、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 授权迸江盘茔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 曾8 笮 签字日期：历o 年0 6 月。g 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：宅删 签字日期：o 9 年月歹日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 本章将首先介绍本课题的研究背景，热声研究的历史及现状以及热声在不同领域 的应用前景，最后简要介绍了本文的主要工作 1 1 课题背景 随着现代工业生产、航空航天事业、红外遥感技术、电子技术、军事工程以及医 疗技术的飞速发展，对低温制冷机的寿命和可靠性都提出了很高的要求 1 - 4 | 。传统回热 式低温制冷机，如：s t i f l i n g 型制冷机【5 卅和g - m 型制冷机【7 】还不能满足上述需要，主要 是因为这些制冷机中都至少存在两个运动部件：常温下的机械式压缩机和低温排出器。 这些运动部件的存在使得制冷机不能长寿命、稳定地工作。另外，排出器的存在，还 可能成为系统的一种干扰源，这对能感应微弱信号的高精度测量系统来说影响非常大。 2 0 世纪6 0 年代，脉管制冷机的出现为解决可靠性问题提供了一个新的思路。与 s t i f l i n g 型和g m 型制冷机相比，脉管制冷机去除了低温运动部件低温排出器，从而 避免了低温下的滑动密封、机械磨损等问题。从2 0 世纪8 0 年代以来，脉管制冷机的 研究经历了从小孔型喁l 到双向进气型 9 1 等多次发展，目前单级脉管制冷机已经达到了 1 1 1 k 的最低制冷温度，而采用3 h e 作工质的二级脉管制冷机可达到1 2 7 k 的最低制 冷温度【“】。然而，目前脉管制冷机大多采用机械式压缩机驱动，这成为其可靠性和长 寿命的障碍。 热声发动机的出现为解决这一问题提供了新的方案，因为热声发动机仅由管件和 换热器组成，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交。整机除了振动工质外，没有任何机械运动部件。与常规机 械式压缩机相比，热声发动机具有三大优点：( 1 ) 它的结构简单而且完全没有运动部 件，从根本上消除了常规机械式压缩机中存在的磨损与振动，因而稳定性好，无维修 寿命长。( 2 ) 热声发动机采用对环境无害的工质( 如惰性气体等) ，既不会破坏臭氧层， 也不会引起温室效应。( 3 ) 可采用热能驱动，废热、太阳能和燃气等都可以作为其热 源，具有较大的灵活性；随着热声发动机起振温度的降低，更低品位的热能可以被利 用，对于电能缺乏而热能富集的场合具有实用价值。 经过近2 0 年对热声发动机的研究，已取得了许多可喜的成果。1 9 9 9 年，美国l o s a l a m o s 国家实验室的b a c k h a u s 和s w i f t 在 n a t u r e ) 上发表论文报道研制成一台热声 s t i r l i n g 型发动机【2 1 ，其效率高达o 3 0 ，完全可以同内燃机( o 2 5 0 4 0 ) 和传统活塞式 s t i f l i n g 发动机( o 2 0 - 0 3 8 ) 相媲美【1 2 】。现在用热声发动机驱动脉管制冷机时，获得了 6 5 7 k 的最低制冷温度 4 7 一。这意味着，热声发动机有很光明的前景，正成为国内外科 研的热点，引起了各国科研工作者和工业界的强烈关注。 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的理论及实验研究 工作。 浙江大学硕士学位论文 1 2 发展历史及现状 1 2 1 热声发动机的研究进展 人们在2 0 0 年前就已经开始认识热声现象，1 7 7 7 年b y r o nh i g g i n s 在实验中发现， 将氢火焰放在两端开口的垂直管的适当位置，管内会激发出声音【1 3 】。吹玻璃的工人则 发现当将一个玻璃球连接到一根中空的玻璃管上时，管道的尖端有时会发出声音【6 5 】。 正是源于这些偶然的发现，人们开始了热声效应的探索。下面分别介绍驻波型热声发 动机和行波型热声发动机的实验研究进展。 一、驻波型熟声发动机 现代实验热声学最重要的进展之一是美国n e wm e x i c o 大学的c a r t e r 和f e l d m a n 在 1 9 6 2 年对s o n d h a u s s 管进行的有效改进。他们在s o n d h a u s s 管中采用适当的板叠来提高 它的效率，大大加强了管内所发生的热声效应，研制出了世界上第一台有显著声功输 出的驻波热声发动机，以6 0 0 w 的热传输功率获得了2 7 w 的声功率。 实用热声发动机起源于美国l o sa l a m o s 国家实验室。2 0 世纪8 0 年代初，由 w h e a t l e y 领导的科研小组率先开展了热声发动机和热声制冷机的研究工作。w h e a t l e y 认为声谐振驻波和表面热泵效应的组合能形成一种完全新型的发动机，由于其中的气 体热声效应和固体介质之间所需的时均相位差都是通过自发的不可逆过程一特别是由 温差传热引起的，因而被称为自发式发动机。其实，这正是热声发动机与s t i r l i n g 型发 动机之间最重要的区别。s t i f l i n g 型发动机需要外界提供机械功以保证压缩机活塞与膨 胀机活塞间合适的相位，而热声发动机能自发地调节相位。因此热声发动机具有减少 部件、降低成本、简化结构以及增强可靠性等优点【2 0 j 。 1 9 9 2 年，s w i f t 等在一直径为1 2 8 m m ，总长为4 3 2 0 m m 的热声发动机上采用1 3 8 m p a 的h e 作为工质，产生了6 3 0 w 声功，效率为9 ，压力振幅为平均压力的3 1 0 2 “。 另外他们还提出在热声发动机中采用液体工质，比如液态钠、液态钾或丙烯等具有密 度大、普朗特数小的特点，以它们为工质的热声发动机具有高效率和大功率等特点阱l 。 日本大学的m a t s u b a r a 、朱绍伟和周淑亮等人也在从事热声发动机的实验研究。他 们研制的驻波型热声发动机在输入功率8 3 3 w 时能输出2 6 w 的声功 2 3 - 2 4 。他们还对起 振温度、声波特性和热声振荡的影响因素等进行了分析和实验研究，着重研究了结构 尺寸对热声效应以及损失特性的影响情况。还利用j 孑l 阀和气库对发动机的输出特性 进行了测量。 浙江大学制冷与低温研究所的陈国邦等于1 9 9 6 年在国内首先研制成一台对称型半 波长热声发动机，以氮气和氦气作工质时分别得到1 1 2 和1 0 6 的最大压比，并着重研 究了工质种类、谐振管长度、充气压力和加热温度对发动机性能的影响 2 s - 2 9 1 。 法国国家科研中心l i m s i 实验室的f r a n c o i s 等从9 0 年代初开始对热声发动机进 行研究。他们同华中科技大学的郭方中等合作研制的热声发动机以氮气为工质，加热 温度为5 0 0 时，压力振幅可达平均压力的1 0 。此外，他们还建立了利用双传声器 2 浙江大学硕士学位论文 法测声功系统1 3 0 1 二、行波型热声发动机 2 0 世纪7 0 年代末，c e p e r l e y 首先提出了行波热声发动机的概念。他提出s t i r l i n g 型热机回热器中的压力波和速度波的相位同行波热声发动机中的声波相位相一致，并 提议去除除工质外的所有运动部件，而是利用声波来控制工质运动和压力波动口1 1 。然 而，c e p e r l e y 的实验发动机并没有起到放大声功的效果1 3 2 j 。 1 9 9 8 年，y a z a k i 等人首先实现了环路行波型热声发动机，不过它的效率较低【3 3 1 。 c e p e r l e y 和y a z a k i 都意识到这是因为工质气体的低声阻抗而导致高声速时存在较大的 粘性损失造成的。 1 9 9 9 年，b a c k h a u s 和s w i f t 等设计制造了一台新型行波型热声发动机，这是c e p e r l e y 的设想和现代热声理论相结合的成果。该系统经历了可逆的s t i r l i n g 循环，因而其热力 学效率能轻易超过驻波系统。据b a c k h a u s 和s w i f t 报道【1 2 州，发动机能达到0 3 0 的热 力学效率，这比先前任何热声发动机的效率都要高出5 0 以上。同典型内燃机相比， 汽油内燃机的热力学效率为0 2 5 ，而柴油机则为0 4 0 。因而可以说s t i r l i n g 型热声发动 机的效率已经可以同它们相媲美了! 由于行波型热声发动机取得了成功，国内外很多机构开展了这方面的工作，如浙 江大学的陈国邦和金滔与法国科研中心l i m s i 的f r a n c o i s 合作开展了相关的研究工作， 在理解b a c k h a u s s w i f t 系统的基础上设计制造了一台行波型热声发动机，初步的实验 结果表明它具有比驻波型热声发动机更低的起振温度和更高的效率【3 5 1 。 1 2 2 热声发动机驱动脉管制冷机的研究进展 热声发动机驱动脉管制冷机从室温到低温完全没有运动部件，因此它具有稳定性 好、无维修寿命长等优点。1 9 9 0 年，s w i f t 和r a d e b a u g h 等联合开展了热声发动机代替 机械式压缩机来驱动脉管制冷机的研究，建立了世界上第一台完全没有运动部件的低 温制冷机。他们所建立的热声发动机长度达1 0 m ，以氦气为工质时，产生了频率约为 2 7 h z 、压比约为1 1 的压力波，驱动一台小孔型脉管制冷机达到9 0 k 左右的制冷温度， 成为世界上第一台完全无运动部件的低温制冷机1 1 , 3 6 1 ，该研究成果荣获美国1 9 9 0 年 “r & d 1 0 0 ”奖。 浙江大学制冷与低温研究所陈国邦等在1 9 9 8 年起就开展了热声驱动脉管的研究， 在对发动机与脉管的匹配讨论的基础上提出了一套热声驱动脉管的实验方案，并对系 统中的板叠、回热器等进行了匹配优化 3 7 1 。2 0 0 0 年，在以氦气为工质的驻波型热声发 动机驱动脉管制冷机系统中获得了1 3 8 k 的低温【3 8 - 4 0 l 。2 0 0 1 年，针对加热器、水冷器 和连接方面存在的问题，进行了系统的改进和优化，最后实验获得了1 1 7 6 k 的低温【4 1 1 。 2 0 0 4 年，通过对原有热声发动机谐振管的优化，使热声发动机与脉管制冷机能更好地 匹配，最后实验得到8 8 6 k 的无负荷制冷温度【4 2 】。之后，邱利民等人采用s t i r l i n g 型热 声发动机驱动脉管制冷机进行实验，在2 7 v p a 的工作压力，4 5 h z 的振动频率下，获 得了8 0 9 k 的最低制冷温度 4 3 1 。 3 浙江大学硕士学位论文 中国科学院理化研究所的罗二仓等人也进行了热声发动机驱动脉管制冷机的相关 研究。2 0 0 4 年，他们采用改进的聚能型s t i r l i n g 热声发动机m 】驱动无气库的惯性管式 脉管制冷机，在2 0 4 5 m p a 的工作压力，9 1 h z 的振动频率下，脉管入口压比为1 2 1 2 ， 最后获得了7 5 1 k 的无负荷制冷温度【4 5 】，首次进入液氮温区。2 0 0 5 年，他们在原系统 中加入热声压力放大器【4 6 】进行实验，在1 6 7 k w 的加热功率下，脉管制冷机入口压比达 到了1 3 2 ，在脉管制冷机的冷头获得了6 5 7 k 的温度h 7 , 4 s ，这是目前热声发动机驱动 脉管制冷机所达到的最低制冷温度。 1 3 应用前景 随着热声研究的不断深入，人们在更好地认识热声原理、不断改进热声机械的同 时，也在积极地探索热声机械在各种不同场合的应用。下面将探讨一下热声机械可能 或已经应用的场合。 一、热声除尘器 4 9 1 在锅炉的运行过程中，不可避免会积尘，由此带来的除尘是一个令人头痛的问题 【剐。这是因为除尘不仅需要耗费人力、物力，而且必须停机操作，这给生产带来了很 大的损失。而热声除尘器能很好地解决这个问题。它是利用锅炉炉膛内的高温烟气作 为驱动源，通过简单的热声结构就能实现声波输出，进而把从谐振管中引出的声波通 过指数型喇叭号角结构进行放大而得到更高的声压，以达到能去除灰尘的能力。热声 除尘器能集成在锅炉系统中，避免外加声波发生器，不存在易损部件，且维修方便。 二、热声冰箱或热声空调 中国科学院理化研究所设计并制造了一台高性能室温行波热声制冷机【1 3 1 ，其c o p 和热力学完善度完全可以和传统机械压缩式制冷机相媲美。这意味着新型热声冰箱或 热声空调的设计成为可能。另外，它还可以利用低品位废热作为热源，采用对环境友 好的天然工质。因此，这种空调或冰箱具有结构简单、运行可靠、寿命长和不会污染 环境的优点。 三、熟声芯片冷却器 随着现代工业的发展，许多电子元件都趋向小型化甚至微型化，因此对电子芯片 的散热要求越来越高。当热流密度达到1 0 5 0 w c m 2 量级甚至更高州5 1 1 ，自然冷却方 式已经无法满足要求，必须采用强制冷却措施。我们可以采用微型热声机械，利用芯 片自身产生的热量来驱动热声机，进而驱动制冷系统，从而降低芯片表面的温度。当 然，我们还要考虑热声振动对芯片工作的影响以及热声系统起动控制等多方砸的因素。 四、热声天然气液化器 美国l o sa l a m o s 国家实验室在1 9 9 4 年就与c r y e n c o ( 于1 9 9 7 年被c h a r t 收购) 合作 开发热声天然气液化器【5 2 1 。1 9 9 8 年，他们研制成一台热声驱动脉管制冷机样机【5 3 】，该 样机采用一台驻波型热声发动机驱动一台小孔型脉管制冷机。热声发动机和脉管制冷 机的效率分别达到c a m o t 效率的2 5 和2 5 。在日产6 0 0 升的液化器上，达到了燃烧 6 0 的天然气来液化其他4 0 的天然气的水平。 4 浙江大学硕士学位论文 2 0 0 1 年二月，美国p r a x a i r 气体公司从c h a r t 公司购买了开发热声天然气液化器的 所有权 5 4 1 ，与美国l o sa l a m o s 国家实验室合作，寻求更高的液化效率。据2 0 0 5 年报 道【5 5 l ，在日产1 3 0 0 升的热声天然气液化器上，达到了燃烧3 0 的天然气来液化其他 7 0 天然气的水平。在此基础上，他们已经设计出日产7 6 0 0 0 升、液化率在8 0 8 5 的大系统。 从以上可以看出，热声天然气液化器有着广阔的发展空间，它离工业实用化已越 来越近了。 五、热声制冰机 2 0 0 4 年4 月【5 6 】，美国著名的环保公司b e n & j e r r y s i c e c r e a m 公布了它与美国p e n n 州立大学合作设计并制造的一台热声制冰机( 如图1 1 所示) 。它是利用1 9 0 分贝声音的 膨胀和压缩来产生冷热空气的，在通过一个系统空气循环器将冷空气送到需要的地方。 这种制冰机与传统制冰机相比，具有对环境友好的优点。但是它的低效率和高造 价仍然是它进入日常使用的障碍。 图1 1 热声制冰机实物图图1 2 太空热声发电机实物图 六、太空热声发电机 美国l o s a l a m o s 国家实验室与n o r t h r o pg r u m m a n 空间技术合作设计并制造出一台 小型热声发电机( 如图1 2 所示) ，它将热能转化为电能的相对热效率高达1 8 5 7 , 5 8 】。 热声发电机的核心部件是一台将热能转化为声功的紧凑型s t i f l i n g 热声发动机。从 发动机出来的声功驱动活塞，活塞再带动铜线圈运动。而当铜线圈在一个由永久磁铁 产生的磁场中往复运动时就可以产生电能。 这种发电机具有结构简单、长寿命和容易维修等优点，因此它特别适用于太空场 合。现有的太空用发电机的效率大约只有7 ，单位质量的设备产生5 2 w 电能，而太 空热声发电机的单位质量设备可以产生8 1 w 电能。 他们下一步的工作是优化热声发动机与交流发电机的耦合关系，以得到更高的转 化热效率和更小的发电机体积。 5 浙江大学硕士学位论文 1 4 本文工作简介 如前所述，热声机械和脉管制冷机的研究都已经取得了重大突破，热声发动机驱 动脉管制冷机实用化、工程化逐渐成为今后的研究重点，正是在这种情况下，本文开 展了对驻波型热声发动机及其驱动脉管制冷机的性能强化研究。主要研究内容如下： 1 ) 利用d e l t a e 模拟整机系统，得到了一些有意义的结果，用以指导实验和理论分析。 2 ) 对热声压力放大器进行了理论及实验研究。 3 ) 对具有热声压力放大器的驻波型热声发动机驱动r c 负载和脉管制冷机进行了实 验及部分理论研究。 4 ) 针对热声发动机接入压力放大器后，其热端温度偏高的问题，设计并制造出一台 翅片式水冷器，并对其进行了实验对比和分析。 6 浙江大学硕士学位论文 第二章热声学理论 本章将简单介绍经典线性热声理论，小振幅热声理论，热声网络模型及非线性热声 理论的研究进展。 2 1 经典线性热声理论【6 3 】 经典热声理论取得突破性进展是从r o t t 5 9 - 6 1 1 、m e r k l i 和1 h o m a i l i l 【6 2 等对热声的研 究开始的。1 9 6 9 1 9 8 0 年闻，r o t t 首先提出小振幅条件下的线性热声模型，对线性热 声效应进行了定量分析，并给出了热声效应的完全数值解，在理论上描述了热声效应 中热功转换的关系。其模型推导以线性n - s 方程、连续性方程、能量方程为基础，结 合板叠边壁上的边界条件，建立了理想气体的驻波声场，最终发展成为定量的线性热 声理论。下面将详细介绍经典线性热声理论。 一、相关假设 为了将所要研究的物理模型进一步明确和简化，以便于用数学符号表达出来，有 必要作如下假设： 1 ) 流体为可压缩的简单流体。 2 ) 声场稳定。 3 ) 声场振幅较小，即虬占，u 盈，令( 互) 等于零，我们可得临界 温度梯度的表达式： v = ( 鲁) 。= 嚣精躺嚣 2 。， 图2 1 大平板示意图 函数 和它的空间积分，它们对于很多几何结构都是已知的。对2 1 所示的无限 大平板来说，如果我们取板叠表面为y - - - - 0 ，则有： ，：! 掣( 2 2 0。 2 屹 9 浙江大学硕士学位论文 h = 产帆8 公式中的6 表示气体的粘性渗透深度，h 表示水力半径。 图2 2 平行板叠示意图 如图2 2 所示的平行板叠，取板叠空隙中央处为y - - - o ，则有： h = ，：坐睑塑生 。 ( 1 + i ) y o 8 其他几何结构的表达式请参考文献。 对于连续性方程，由理想气体状态方程( 2 1 5 ) 求得其截面平均密度为： ( n ) = 一害( 墨) + 尝a 由质量守恒方程( 2 1 2 ) 得： 蛔( n ) + 晏( 靠( ) ) = o 将式( 2 1 9 ) 和式( 2 2 5 ) 代入式( 2 2 6 ) 中得： ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 姒一警【1 + o - 1 溉协+ 百糍练r r ) 鲁u ( 2 2 7 ) y 岛， t l 一 八l 一 ” 这个方程可以对热声机理作出直观的解释：方程右边的两项表明速度梯度d r , 是 由于压力和沿温度梯度方向的速度引起的。对于压力项，( 1 ) 如果l e o ，则气体和固 体之间没有热交换，振动是绝热的。在这种情况下，l ，y 以为绝热压缩率，每一分段 凼的声容为4 出，y p 胛可刀y n 。( 2 ) 在另一种极端的情况下，如果后= l ，则气体和固 体之间的热交换非常充分，那么气体温度与固体温度一致。这时等温压缩率采用1 概 是合适的。( 3 ) 当0 _ ；1 ，则气体和固体之间热交换介于两者之间，这时采用有效压 缩率【1 + ( y - 1 ) 棚y p m ，其值介于前两者之间，具有中等的幅度和相位，它描述了密度 振荡的空间平均值随压力振动的关系。对于速度项，为分析方便，假设流体无粘性( 即 卸，p r = o ) ，该项可简化成五矾d 。( 1 ) 如果后= 0 ，即气体和固体之间没有热接 1 0 浙江大学硕士学位论文 触，速度项为0 ，则气体的流速不受该项的影响。( 2 ) 如果_ ；产1 ，这时气体的温度总是 等于与其接触的固体温度，所以当它流向较高的温度点时，密度减小，速度增加。( 3 ) 在实际的热声效应中，矗在0 和1 之间，流体微团沿某一温度梯度运动，产生复杂的密 度振动。 四、分析与总结 经典线性热声理论具有诸多优点。首先它采用了分离变量的方法，将空间自变量x 和时间自变量t 分开，动量守恒方程、质量守恒方程和能量守恒方程线性化后，原时域 的偏微分方程可转换为频域的常微分方程，使得推导过程和结果表达式的形式相对比 较简单，便于学习和运用。其次，热声学形式的动量守恒方程、质量守恒方程和能量 守恒方程是针对微元管段的通用方程，虽为一维空间形式，但实际上式中的黏滞函数 再和热函数店均为流道空间的函数，并且是流道横截面上的积分值，它们能够表示出 流道空间结构对工质流动和传热的影响，因此一维的形式就能够反映不同流道空间结 构的情况，该理论可以用于预测比较不同热声板叠流道形式的热声转换性能。同时， 结合边界条件组合各热声部件，就可以实现对整个热声机械的模拟，从而可以进行热 声机械的设计和理论优化 2 2 小振幅热声理论 6 5 】 1 9 8 8 年，s w i f t 等人对线性热声理论进行了系统的阐述和总结【6 5 】。提出了热致声、 声致热效应的量化指标一临界温度梯度，并给出了热功转换关系式。该模型为热声热 机的理论计算和工程应用提供了理论基础，标志着继r o t t 之后现代热声理论研究进入 了一个崭新的阶段。下面将简单介绍s w i f t 小振幅热声理论。 我们考察一束平行板叠，多层平行板之间构成了流体的通道如图2 3 所示。x 轴 方向与声传播方向相同，位于流体中的y 轴垂直于流体一固体界面，在流道中央， y = 0 ；在边界上，y = y o 。y 轴则置于固体平板之中，也垂直于流体一固体界面，在 固体中部，y = o ；在边界上，y = f 。y 与y 轴方向刚好相反。 一，基本假设 整个推导过程是建立在以下几条假设的基础之上： 1 ) 热声基本理论是一种完全线性理论。二阶能量效应仅仅根据一阶声学得到，避免 了二阶振动量p ，、霸及虬的复杂运算，忽略了非线性效应( 例如激流) ，但在高 马赫数时，非线性效应就显得很重要了。 2 ) 声学振幅很小，不会发生紊流，即u t & 。u 喘。 韵钐n 性 t a p l 1 出膏d x t i pt ；棚m t z 4 d t a p + 曲p 图2 4 热声网络分析图解婶l 对于无限大流道来说，工一0 ，三一p 。a，0 0 ，这时流体粘性的影响可 以忽略不计。对于小流道来说，由于管壁对流体的粘滞作用， 增大；同时由于粘性 渗透深度减小了流道的有效面积，使得州b 增大。在热声热机的回热器和换热器中，两 者的影响都不可忽略，为了比较两者的影响程度，定义一无因次比； 立：上堕二盟 ( 2 3 7 ) f l r e ( f ，1 显然，当流道的水力半径和流体的粘性穿透深度接近时，声感和粘性阻力的影响是相 当的。在驻波热机的回热器中就属于这种情况，这时粘性阻力和声感必须同时考虑； 在极小流道的情况下，如在行波热机的回热器中，声感相比于粘性阻力来说相当小， 可以忽略不计。 其次考虑质量守恒方程方程( 2 2 7 ) ，可以将其写成如下形式： 1 4 浙江大学硕士学位论文 d u = 一( i a k t d x + l d x ) p l + e d x u ( 2 3 8 ) 如图2 4 右面所示，其单位长度的声容为： c = 三【1 + ( y 1 ) r e ( 正) 】( 2 3 9 ) ，f m 单位长度的热驰豫声导，即阻力的倒数为： 土一y-1 c o a i m ( - f k ) ( 2 4 0 ) 咯yp 。 对于无限大流道来说，五一0 ，c 一的。，几一一，这时热驰豫声导的影响可以忽略 不计。对于小流道来说，由于管壁对流体的粘滞作用，h 增大；同时由于在管壁热渗 透深度内流体的压缩率大于流道中间流体的压缩率，使得c 也增大。在热声热机的回 热器和换热器中，两者的影响都不可忽略。同样，定义一无因次比： 上：立生业 ( 2 4 1 ) 6 0 r , c1 + o 1 ) r e ( f k ) 显然，当流道的水力半径和流体的热穿透深度接近时，声容和热驰豫声导的影响 是相当的。在驻波热机的回热器中就属于这种情况，这时两者必须同时考虑；在极小 流道的情况下，如在行波热机的回热器中，热驰豫声导相比于声容来说相当小，可以 忽略不计。 图2 4 中有一体积流控源项，它与局部体积流率矾成正比，比例常数为： 。：盟二盟上盟 ( 2 4 2 ) ( 1 一工) ( 1 一a ) 瓦d x 、 它代表了一项体积流的增长( 或衰减) ，来源于通道的非零温度梯度。只有当流道存在 温差的情况下，体积流控源( 也称流量放大系数) 才能对流量起放大作用。在质量守恒方 程中体积流控源与p 1 无关。为分析方便，令p l = 0 ，这时流量与温度梯度成正比。在脉 管和其它大直径流道中，由于石和五都非常小，即使有温度梯度存在，p 也很小，可以 忽略。对于小流道来说，体积流控源e u 的影响非常重要。如果h 6 扣n “占，则： 晔去警【( 2 4 3 ) 在这种情况下，源项g 明在质量守恒方程中表示为：d 矾矾= d 丁，此式说明体积流 率随温度的升高而成比例的放大，随温度的降低而成比例的减小。 在实际的驻波热声热机的回热器中，“，6 r 一1 ，根据边界层理论可得： 1 5 浙江大学硕士学位论文 晔孚去鲁毒鲁u ( 2 4 4 ， 在这种条件下，体积流量源正比于体积流量，但是有一个- - 4 5 。的相位差。 如果将动量守恒方程和质量守恒方程的阻抗图联合在一起，就可以得到一个适用 于任何流道的热声阻抗图。在p 1 ，矾，d 以及几何结构给定的情况下，可以从 图2 4 中直观地看出由动量守恒方程和质量守恒方程产生咖l 和d u l 的过程和途径。在 大多数情况下，对于热声热机系统的某一部件，阻抗图中某些部分是可以忽略的。对 于理想气体，瓦6 一 粘性声阻、热驰豫声阻、声感、声容以及受控源比例系数的引入，进而进行声电 类比，使用为人们广泛接受的电路知识描述热声系统，加深了人们对热声现象的理解。 2 4 非线性热声理论研究进展【6 8 】 一、研究意义 线性热声理论在最近几十年里得到了迅速发展，已经成为深入了解回热式热机工作 机理的一个强有力的工具。与经典热力分析方法不同，线性热声理论虽然做了线性化 处理，但它仍然考虑了由于有限换热和粘性效应两种不可逆损失，因此线性热声理论 较之经典热力分析理论更为合理。但是随着近年来对回热式热机的深入研究，特别是 对脉管制冷机和自激振荡的热声发动机的研究，线性热声理论的固有局限性也日益显 露出来【6 9 1 。主要有以下几点： 1 ) 振荡模式转变 对于自激振荡的热声发动机而言，理论上其振荡频率有无穷多个。实际的热声系 统振荡频率却是有选择性的，通常以基频起振，然后系统便以次频率维持振动，少数 情况下随着加热温度的升高会跳到高阶谐波振动，但发生跳频都是有规律的。而且系 统除了以这两个频率振荡外，基本上不以更高的谐波振荡。线性热声理论无法解释这 个现象。 2 ) 热声自激振荡发展过程 线性热声理论是