基于热声网络理论的驻波热声发动机起振模拟

为了研究驻波热声发动机的起振条件并更好地理解热声振荡的机理,采用热声网络理论对驻波热声发动机的起振过程进行模拟.从线性热声理论中的控制微分方程出发,推导出存在温度梯度的板叠传输矩阵的3种不同表达式,并通过计算对比3种计算方法的精度.根据热声网络理论,对自行设计的驻波热声发动机进行整机模拟,计算起振温度和频率随充气压力和板叠间距的变化,并与实验结果进行对比,计算的起振温度随充气压力的变化趋势与实验结果基本相同.计算结果表明:不同的充气压力应选择不同的板叠间距.对该驻波热声发动机,其最佳的板叠间距应为热渗透深度的2.20～2.30倍.

驻波热声发动机板叠温度分布的红外观察

为了深入研究热声板叠中的能量流动和分布,采用红外热像仪对自行设计搭建的驻波热声发动机板叠进行了温度场观测,重点分析了起消振过程中板叠的轴向和径向温度分布变化。实验结果表明:在起振时,板叠轴向中部的无量纲温度会出现突然升高并随之保持平稳。通过分析不同板叠安装角度下的板叠温度分布,首次发现自然对流会使起振前板叠的径向温度分布不均,且温度分布的不均匀程度主要受充气压力的影响。系统起振后,自然对流造成的温度分布不均匀效应逐渐消失。

驻波热声发动机振荡频率转换特性

为了研究驻波热声发动机的起振特性和频率转换特性,理解频率模态转换发生的条件,根据热声网络理论,对不同充气压力下驻波热声发动机的基频和二阶频率下的阈值温度进行预测.计算在不同充气压力和加热温度下驻波热声发动机的品质因子,分析在不同条件下的起振状态和频率转换特性,并在自行设计的驻波热声发动机实验台上测量起振温度和频率转换条件,将测量结果与计算结果进行对比验证.计算的起振频率和频率转换特性随充气压力的变化趋势与实验结果符合较好.

基于DeltaE的驻波型热声发动机设计方法

在消化和吸收目前普遍接受的热声系统计算软件DeltaE(Design Environment for Low Amplitude Thermoacoustic Engines)的基础上,发展了驻波型热声发动机的结构设计方法;提出引入双参数评估法对发动机性能进行评估,以获取较高的热声转化效率。

热声起振过程的实验研究

起振过程是热声现象的重要部分之一。在自行研制的混合型热声发动机系统中对起振过程进行了实验研究,通过分析起振过程的压力、频谱变化,总结出起振过程中储能、起振、饱和3个阶段的特性,并分析了亥姆霍兹共鸣器对起振阶段的影响,通过与国外相似实验结果进行对比,指出了之间的共同点以及差异,为开展热声起振机理研究提供了参考。

热声发动机起消振过程中压比演化规律研究

实验研究了热声发动机起振过程中典型的非线性现象,即双阈起消振现象。实验结果表明,充气压力以及加热功率对于双阈起振现象有着明显的影响,而双阈消振现象则主要由充气压力和消振时刻系统压力振幅决定。该研究有助于增进对热声振荡现象的进一步理解与认识。

热声起振机理的研究进展

回顾了最近十几年间国内外热声起振机理的研究进展,重点介绍了热声起振研究的主要理论和实验研究方法,指出了当前理论成果与实际热声过程之间存在的差距,并对热声理论研究今后的发展趋势进行了展望。