高温升燃烧室热声耦合特性研究

为建立燃烧室热声不稳定性预测和分析方法,以某高温升单管燃烧室试验件为研究对象,构建了试验系统低阶热声网络(LOTAN)模型。基于试验数据,利用优化的方法获得了各工况下的火焰传递函数(FTF),并利用Kriging模型拟合出了增益与迟滞时间对工况参数的响应模型。利用拟合出的FTF响应模型分析了油气比和进气速度对燃烧室热声稳定性的影响。研究结果表明:通过优化得到的FTF能够较准确反映各工况下的非稳态热释放特性,导入LOTAN中计算得到的结果与试验结果吻合较好,最大误差约3.32%;油气比的改变会引起不稳定模态的转变,油气比或进气速度升高时,系统特征频率也随之升高。

高功率热驱动热声制冷系统优化设计

为了提高热声热机功率密度兼顾总热效率,使用DeltaEC软件对二级环路热驱动热声制冷系统进行数值模拟,分析了回热器水力半径和长度对系统的总热效率、发动机热声转换效率以及功率密度、制冷机制冷系数以及功率密度等因素的影响。结果表明,实现高功率密度的回热器水力半径区间为38—76μm,实现高功率密度的回热器长度区间为10—32 mm,发动机实现高功率密度的最优相位区间为-14.74—-5.63°,制冷机实现高功率密度的最优相位区间为11.132—20.457°。

预混火焰中热声振荡非线性特征的实验研究

针对旋流预混火焰热声不稳定性开展了实验研究.主要关注当量比对热声振荡系统非线性动力学行为的影响规律.实验结果表明,随着当量比从贫燃向富燃增大,火焰发生了Hopf分岔,火焰也经历了稳定燃烧、准周期振荡(拍振)、极限环振荡、准周期振荡以及稳定燃烧的模态转变过程.长燃烧室中火焰宏观结构的转变伴随着火焰动态模式的改变.当发生极限环振荡时,声压-火焰-涡流耦合作用致使反应区表现出大幅度的周期对流运动.

热声系统起振机理的初步研究

根据气体密度、粘度和导热系数等物性参数随温度的变化规律 ,在对热声系统中热声转换的关键部件丝网板叠进行合理简化的基础上 ,给出了热声系统起振机理的一种初步解释 ,对进一步完善热声理论具有一定指导意义。

热声热机技术的研究进展

首先简要地介绍热声热机(包括热声发动机和热声制冷机)的基本工作原理和热声技术特点,指出热声热机是基于热致声效应和声制冷效应两类热声效应而工作的,它完全没有机械运动,采用惰性气体工作,是一种可靠性高和环保的新型的能源转换机械。然后重点介绍近十几年来国内外在热声技术研究方面所取得的重要进展,主要包括在热声发动机和热声制冷机两个方面。在热声发动机研究方面,简要回顾热声效应的发现和驻波热声发动机的研究进展,接着介绍行波热声发动机的提出和迅速发展历程,重点介绍热声转换效率达到30%的热声斯特林发动机和压比达到1.3(采用氦气)、效率达到32%的聚能型热声发动机研究工作;在热声制冷技术方面,分别介绍热声驱动脉冲管制冷获取低温的研究工作以及热声驱动室温制冷机获得高效率、大冷量等方面的研究工作,并重点介绍采用声压放大器获得液氢温度以下的完全无运动部件热声驱动脉冲管制冷机(低于20K),以及在?20℃获得了300W以上的制冷量的双行波流程的热声驱动室温热声制冷机。最后,扼要地介绍热声理论方面的研究进展,并对热声技术的问题和该研究领域的发展方向进行展望。

非线性热声理论的研究进展

主要总结了热声系统中的非线性热声现象,指出了线性热声理论的不足,回顾了近十年来国内外热声工作者为解释这些非线性现象所做的理论探索,对其发展方向进行了展望。

热声系统的工程优化设计

介绍了热声系统无因次化的工程优化设计数学模型 ,描述了热声系统的优化算法。对声驱动的热声制冷机和热声发动机两种典型的热声系统的板叠 ,进行了优化设计计算 ,得到了两系统中热声板叠的性能和效率曲线 ,并对影响热声系统性能或效率的因素进行了分析与讨论 ,优化确定了板叠的结构参数 ,为热声系统的工程优化设计和性能预测提供了一种有效的方法。

热声热机──无运动部件的低污染热机

通过对国内外热声热机理论和实验研究的分析 。

具有任意阻抗边界的驻波热声压电系统的声学与俘能特性求解及参数研究

文章为任意阻抗边界条件下热声压电俘能系统的声学特性和俘能特性提供一种新的求解方案.热声压电俘能系统包含任意阻抗边界、热缓冲管、板叠、谐振管和俘能元件,当板叠两侧温差达到临界温差时,工质流体在板叠处发生热声耦合振荡,进而引起压电薄膜发生形变,为外接负载提供电能.振荡频率、声压实部和流速虚部的模态分布称为热声压电俘能系统的声学特性,负载俘获的当量化能量称为热声压电俘能系统的俘能特性.文章在验证边界光滑傅里叶级数和Galerkin法稳定性和可靠性基础上,预报驻波热声压电俘能系统的声学特性和俘能特性,研究热声管长、外接负载和边界阻抗对声学特性和俘能特性的影响规律.研究表明,驻波热声压电系统振荡频率与热声管长呈反比;外接负载与系统存在阻抗匹配关系,但过高的负载会使系统失去俘能能力;且管长和边界阻抗对振荡频率的影响可以分为高敏感区、低敏感区和阻抗失效区,同时发现边界阻抗范围内存在“声学特性一致阻抗带”,因此在设计热声压电俘能系统时可根据不同的需求和应用场景选择其工作区带.本研究可快速预报热声压电俘能系统的声学特性和俘能特性,并为通过改变结构参数或阻抗边界调控系统声学特性和俘能特性、拓宽压电能量采集频带提供参考.

基底厚度小于热渗透深度的石墨烯薄膜热声理论

基于热声效应,对基底厚度小于热渗透深度的石墨烯薄膜发声器进行理论和仿真研究。首先,利用石墨烯薄膜发声器的热功率平衡方程与气体中的热弹性耦合线性方程组推导出了石墨烯薄膜发声器的近/远场声压表达式。将理论计算结果与实验测试值进行对比,二者吻合良好,验证了理论模型的正确性。然后,利用仿真软件对石墨烯薄膜的近远场声压值进行了仿真计算,并将仿真值与理论值进行对比,二者有良好的一致性,验证了仿真计算方法的有效性。研究表明,石墨烯薄膜发声器的远声场为球面波,近声场近似为平面波。在远场低频段,声压级随输出声频率的增加而缓慢增大;在近场高频段,声压级几乎不受输出声频率的影响。研究结果为基底厚度小于热渗透深度情形下的热致发声器提供了理论计算和分析方法,对石墨烯薄膜声源器件的实验研究具有指导意义。

热声发动机中的交变流动换热器特性研究

为阐明热声发动机交变流动换热器内基本换热与阻力特性,以10 kW直线热管耦合自由活塞斯特林发电机的发动机核心为例,对三维模型进行等效,分别利用Sage一维和CFD二维模型两种方法,对交变流动换热单元在额定工况下的沿程基本状态参数、时均能量的分布特征进行计算并比较。结果表明:Sage一维模型中的换热分布特征及换热总量均与CFD二维模型计算结果相近,即Sage一维模型可以较好地捕捉换热器内的瞬态与时均特征;同时,Sage一维模型对换热器界面的突变截面损失则与CFD二维模型计算差异较大,可利用CFD二维模型的阻力计算结果,提出采用有效压降与有效速度获得突变截面处的局部阻力系数修正,并添加修正因子后代入Sage一维模型,可使Sage一维模型的阻力特性与CFD二维模型的阻力特性基本吻合。所得热声热机中换热器特性规律及分析方法同样可用于指导其他热声热机的相关研究与工程设计,具有一定的普适性。

大型多功能热声发动机的研制及初步实验 第一部分 热声发动机的研制

设计并制作了一台大型多功能行波热声发动机 ,该热声发动机长 4 5m ,高 1 2 5m ,设计最大输入功率 5kW。它不仅可以用于行波与驻波混合型热声发动机实验 ,还可以单独进行行波环路实验及热声发动机驱动脉管制冷机实验。该热声发动机中没有任何运动部件 ,同驻波热声发动机相比起振温度低、压比大 ,这对低品位能源的利用具有重要意义。着重介绍该热声发动机系统的研制和测量系统的组成 ,相关实验结果将另文介绍。

自激振荡热声发动机的整机数值模拟研究

基于线性热声理论,以复频率作为迭代判据,给出具体的四端口网络模拟算法,对两台实际的热声发动机进行了整机数值模拟,并且结合实验结果进行了对比分析。计算结果证明它们的板叠和回热器分别处于驻波和行波为主要分量的声场中, 成为热声转换的核心。另外发现,频率误差不超过1％,相对振幅实验值约为计算值的70％,基本反映实验规律,同时解释了非线性影响是造成误差的主要原因。

热声驱动器谐振频率影响因素分析

分析了结构参数、操作参数以及工质等因素对热声驱动器谐振频率的影响 ,并结合驻波型热声驱动器 ,给出了相应的计算结果和实验数据。

丝网热声板叠的最佳填充率

自行研制了热声驱动脉管制冷机实验台 ,着重研究了热声机械中热声转换的关键部件丝网板叠的填充率对热声驱动脉管制冷机起振温度、制冷温度和加热功率等的影响 ,并通过实验发现了丝网板叠的最佳填充率。以氮和氦作工质 ,分别获得了 196K和 138K的无负荷制冷温度 ,达到国际先进水平 。

热声制冷的研究现状

本文在介绍热声制冷各研究方向的基础上，对其发展现状进行了详细的综述，并对今后的发展进行了展望。

燃烧室声腔结构对固体火箭发动机热声振荡影响的实验研究

固体火箭发动机燃烧室中的热声不稳定燃烧会对发动机的正常工作造成严重危害,为了能够对热声不稳定的影响机制有更加深刻的认识,基于缩比固体火箭发动机设计了一种平面燃烧器热声实验装置,通过开展多工况实验研究了化学当量比和燃烧室声腔结构对燃烧室中热声振荡的影响。研究发现,在长度为920 mm、内径为150 mm不含模拟药柱的燃烧室中,随着化学当量比的增加,热声振荡的幅值先增加后减小,振幅在化学当量比∅=1.31处达到最大值35.4 Pa;在含有模拟药柱的燃烧室中,随着化学当量比的变化,燃烧室中出现了热声不稳定模态转换的现象,即热声不稳定从一阶声不稳定变为二阶声不稳定。对比分析了药柱内径对两种不稳定模态频率和振幅的影响,通过测量压力衰减系数进一步分析了药柱结构特性对热声振荡的阻尼作用,发现药柱结构对热声振荡的阻尼作用随药柱内径的增大而减小。结果表明,在发动机工作过程中,随着燃面的退移,药柱的内径变大,阻尼作用会越来越小,导致发动机工作末期稳定性降低,出现燃烧不稳定现象的风险增加。

热声斯特林发动机热动力学特性的CFD研究 第二部分:热声转换特性及热声声流的研究

研究了热声斯特林发动机的声场特性和热力特性,计算了波动压力和体积流率振幅及两者的相位差、截面平均温度以及声功流在系统内的沿程分布,与实验及预期的趋势相符合。对热声斯特林发动机内部的Gedeon声直流进行了研究。通过监测系统内截面的质量流率周期分布特性观测到Gedeon直流的存在,计算了直流量的大小及在系统内的分布特性,并采用风扇模型抑制了直流,给出了直流抑制过程中的系统性能变化。进一步验证了CFD研究的有效性。

行波型热声驱动器的实验研究

热声驱动器是利用热声效应把热能转化为声能的动力装置,因其不含运动部件,具有结构简单和运行可靠等优点而倍受关注。本文研究的新型行波型热声驱动器在效率方面比驻波型热声驱动器有很大的提高。在简要回顾行波型热声驱动器的发展历史之后,详细介绍了一实验系统的结构和设计情况,并在研制成的实验装置上开展了初步的实验研究,成功获得了热声振荡,以氦气和氮气为工质,得到频率分别为66Hz和23Hz的压力振荡。此外,还考察了压力振幅受加热功率和加热温度的影响,以及安装喷射泵前后的对比实验情况。

热声理论的研究及其发展

回顾了热声研究的历史以及所取得的成就。介绍了各主要热声研究及开发单位的研究现状和动态。