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。

弱非线性热声理论模型的建立及简化

本文指出非零的周期平均热声效应在本质上是非线性的,应保留到二阶精度。在小振幅条件下,利用摄动方法,以无限大平板流道为例,建立了二阶精度的弱非线性热声理论模型,并在不同条件下对模型做了进一步简化。这一理论为理解热声系统的工作机制以及设计优化热声系统提供了强有力的理论工具。

热声谐振管非线性效应的实验研究

线性热声理论的前提条件是小振幅假设 ,但是 ,实际热声热机的工作振幅大多超出了这个假设而工作于非线性区域。因而 ,实际热机具有很强的非线性特点。S .karpov[1] 和Atchley[2 ] 等人在理论上证明了热声效应存在非线性不稳定性饱和、起振模态选择等非线性行为。作者在自行研制的驻波热声谐振管实验中观察到了以上非线性现象 ,本文将介绍这些实验现象 。

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。

容腔调相的单级行波热声发动机起振特性

将容腔结构引入单级环路行波热声发动机系统中进行相位调节,分析了不同容腔位置、容腔内径和容腔长度时系统的起振特性。基于线性热声理论,采用网格传输矩阵数值方法求解系统的起振频率和起振温差;此外,将计算结果与实验结果进行了对比,验证了计算方法的合理性。结果表明：容腔结构可以明显改善系统的起振特性,系统起振温差大幅下降;不同容腔位置处,热机起振特性差异明显;存在最优的容腔内径和容腔长度组合,使得起振温差最低,而容腔尺寸对热机起振频率的影响较小。

串级热声发动机的机理分析及数值模拟

简要综述了热声发动机的发展历程,把三种典型的发动机形式作了比较分析,在此基础上,对 国际上最近提出的串级型发动机进行了定性讨论,并结合一定的几何结构,运用线性热声理论对该 类型热声机进行了数值模拟。

采用正弦型谐振管的高频驻波热声发动机

设计了一截面积正弦变化的对称管道作为高频驻波发动机谐振管,实验研究了该发动机的工作性能与声功输出能力,并与采用等直径谐振管的实验结果进行对比。在一定加热功率下,正弦管能有效抑制系统产生的二阶谐波,提高一阶压力波动幅值并降低加热块温度。由于存在显著的非线性效应,基于经典线性热声理论的计算无法预测两种谐振管实验性能的不同,并且与实验结果偏差很大。

40K温区的热驱动低温热声制冷机

热声驱动脉管制冷机主要由热声发动机和脉管制冷机组成,是一种完全无运动部件的新型低温制冷机。本文在实验室现有行波热声发动机的基础上,运用线性热声理论对两级脉管制冷机进行了设计,并用声学放大器对热声发动机和脉管制冷机进行耦合,提高脉管制冷机的驱动压比,从而获得了41 K的低温,这是目前热声驱动脉管制冷机所获得的最低制冷温度。正因为本热声驱动脉管制冷机系统的热驱动特性及其主要部件都是按照热声理论进行设计,所以我们将其称为热驱动低温热声制冷机。

热声斯特林热机中行波圈子系统特性的实验研究

行波圈是热声斯特林型发动机的一个主要的子系统 ,行波圈的基本属性对热声斯特林型发动机的整机稳定性和效率有着决定性的影响。单独对行波圈子系统的基本属性进行了理论和实验研究 ,通过改变回热器阻抗、平均压力和输入功率等控制参数 ,对单独行波圈环路内声场分布进行了详细研究 ,并且对有无谐振管情况进行了对比和分析。在理论上对行波圈的基本属性以及和谐振管的匹配进行了分析和讨论 。

热声制冷机板叠性能指标数值计算与遗传算法优化

板叠是驻波热声热机的重要部件,直接影响热声热机的效率。针对驻波热声制冷机,构造了一个板叠性能指标的数值计算方法及其优化设计方法。分析基于短板叠近似理论的计算方法的局限,构造迭代数值方法同时求解制冷量、压力、体积流率、平均温度分布以及温度梯度等参数,从而计算出板叠性能指标;基于该迭代方法探讨了热声板叠长度、宽度、位置、阻塞率以及温差等与板叠性能指标之间的关系;以板叠长度、宽度、位置、阻塞率为优化设计变量,板叠性能指标为优化目标,利用遗传算法,对驻波热声制冷机板叠进行了优化设计。与基于短板叠近似理论的方法相比,由于考虑了更多的实际因素,该方法数值计算结果更为准确,优化设计结果更容易被接受。