热声谐振管的有源热声网络模型研究

根据流体力学基本方程组建立了采用平行板叠结构回热器的热声谱管的有源网络模型,为为热声谐振管与制冷机的优化匹配了一种有效的理论工具。     

热声热机谐振管截止频率选择机理

通过波导管理论的推导，对热声热机中谐振管的截止频率选择机理进行研究，导出谐振管中传播一维平面波的频率传播范围，阐述热声热机谐振管中一维平面波的传播机理，即谐振管截止频率选择的理论依据。理论研究结果表明：对于同样等效直径的矩形谐振管，其截止频率远大于圆形谐振波导管的截止频率；对于等效半径为2mm的微型热声制冷机的谐振管，当声速为343m／s时，谐振管的截止频率为50248Hz，实际的工作频率5500Hz，远小于谐振管的截止频率；在热声热机谐振波导管中只存在一维平面波传播，有利于合理布置热声热机的其他部件，达到优化热声热机的目的。     

热声谐振管的实验研究

以氮气为工质进行了热声谐振管的自激振荡实验，通过实验对热声谐振管的起振温度差、自激振荡频率和压力振幅进行了研究，研究结果表明，热声谐振管的自激振荡频率随着驻波管长度的增加而减小，当驻波管长为２．２７m时，振荡频率为６５．８Ｈz；当驻波管长为３．７７m时，振荡频率为４２．１Ｈz；热声谐振管的振幅随着回热器两端温度差的增加而增加，实验中达到最大压力振幅为充气压力的４．９５％；回热器两端的起振温度差受到充气     

热声谐振管的实验研究

以氮气为工质进行了热声谐振管的自激振荡实验 ,通过实验对热声谐振管的起振温度差、自激振荡频率和压力振幅进行了研究 ,研究结果表明 ,热声谐振管的自激振荡频率随着驻波管长度的增加而减小 ,当驻波管长为 2 .2 7m时 ,振荡频率为 65.8Hz;当驻波管长为 3 .77m时 ,振荡频率为 4 2 .1 Hz;热声谐振管的振幅随着回热器两端温度差的增加而增加 ,实验中达到的最大压力振幅为充气压力的 4 .95% ;回热器两端的起振温度差受到充气压力的影响 ,实验中当充气压力为 4× 1 0 5Pa时起振温度差最小 .     

热声谐振管材质的优选设计

从热动力学角度分析了弛豫过程的特征,指出其在不同的热声部件中产生的不同效应.针对热声谐振管,建立了描述弛豫过程的工程化模型,避免了求解气固耦合系统斯托克斯方程组的困难.该模型求得了固体热边界层内的温差分布,得出了与Swift分析等价的优选指标.计算结果表明:采用氦气作气体工质、用聚酯作谐振管时,壁面与气体微团的温差比较大,弛豫引起的耗散较小.因此在做热声谐振管的优化设计时,一定要考虑管材与气体的匹配关系,尽量减小谐振管内的耗散损失.     

Rijke热声管的热声特性研究

根据 G.W.Swift的著作 ,进一步推导出了相应的热声理论公式 .通过实验 ,分析了典型 Rijke热声管的发声特性 ,并首次涉及了该问题的某些非线性内容     

热声热机结构动力学分析

利用商业软件ANSYS建立热声热机模型,从结构动力学角度进行模拟研究,对其进行结构静力、模态和谐响应分析。在热声系统的关键位置布置监测点,得到热声系统内部位移、应力和应变等参数随压力和频率的变化关系。研究结果表明:随着充气压力的提升,应力应变基本呈现线性增大的趋势,且峰值点一一对应。随着结构模态的提高,热声热机的应力和应变因位置的不同而存在差异;热声系统的3阶和4阶模态下固有频率接近气体介质的振荡频率;由谐振管内表面布置的监测点所得结果可知,高密度的气体介质的振荡会在回热器中产生振动激励和声激励,并作用于谐振管,使声波和固体介质产生共振和耦合。     

双驱动热声热机谐振管中声波的传播特性研究

分析了双驱动热声热机谐振管中声波的传播特性,通过分析指出,对于双驱动的热声热机,可以通过改变其反射系数和驱动声源的驱动相位差,进而实现谐振管声场的声压幅值和声场相位的改变.理论研究表明,在|rp|=0.3,相位差为σπ=0.5π时的声压幅值大于σπ=π的声压幅值;而在σπ=0.5π时,声场幅值随反射系数|rp|的增大而增大.实验研究表明,在相位差σπ为常数时,通过改变不同的反射系数值,就可以实现谐振管中声场的调节;在反射系数|rp|为常数时,通过改变谐振管两边驱动声源的驱动电压值,也可以实现声场幅值和相位差的调节.这样就有利于调节结构已经确定的微型热声热机的最佳声场分布,使其达到最优热声转换效率,实现微型双驱动热声制冷机热声制冷效率的最优化.     

热驱热声制冷耦合系统中波导管的声传输特性

根据声传播规律和声场边界条件分析,在热声发动机和热声制冷机之间增加一段波导管,可以有效提高制冷机回热器的驱动声压,同时增加当地声阻抗,降低回热器平均振荡速度,减少黏性耗散.波导管传输特性的计算和分析表明：波导管的特征尺寸（包括特征长度和相对水力半径）是提高回热器声压和声阻抗的关键参数;相对水力半径和阻抗相角是影响波导管...     

谐振管对开口式热声发生器声学性能的影响研究

在传递矩阵模型中引入开口端非线性耗散模型对开口式行波热声发生器理论建模，得到了开口端阻抗实部、开口处体积流率及受末端几何形状影响的压力损失系数之间的关系．对系统谐振频率、内部压力幅值和出口外1 m处声压级的声学特性参数进行了理论分析，并对不同谐振管尺寸和不同锥管锥度进行了实验研究．分析讨论了谐振管长度和直径对系统谐振频率的影响，结果表明：理论模型可以反映谐振管尺寸对谐振频率的影响，计算值与实验值的误差小于5%．锥管可以有效减小开口端的能量损耗，进而显著提高热声装置内部的压力幅值和出口外1 m处声压级，在谐振管直径为46 mm、长度为730 mm及40°锥管情况下，出口外1 m处声压级可以达到110.2 dB.     

双侧激励源对热声制冷谐振腔内声场分布的影响

超声磁致伸缩换能器作为热声制冷机的激励元件,其输出声场强度直接影响热声制冷的效率。为提高谐振腔内直观的声压幅值,在单侧磁致伸缩换能器激励的基础上,集合声波相干理论,应用有限元软件ATILA模拟了双侧激励情况下,不同长度谐振腔与激励相位的匹配关系对谐振腔内声压幅值的影响,并与单侧激励谐振腔内声压幅值做比较。研究结果表明:相同激励力情况下,双侧激励(170 mm受同相激励,340 mm受反相激励)谐振腔内产生的平面驻波声场更加稳定、单色性好、声压幅值是单侧激励的1.78(半波长谐振腔)/1.81倍(一个波长谐振腔),均接近于2倍关系。以上研究成果对双侧激励源的相位与谐振腔长度的匹配工作提供了实验依据。     

热声制冷效应的实验研究

介绍了热声能量转换的物理机制，并在此基础上，研制了一套热声能量转换的实验验证装置，从而不仅验证了热声制冷效应的确定存在，而且指出了这一新颖制冷方式的广阔的发展前景。     

热声发动机回热器操作因子的优化研究

研究热声热机中回热器长度和工作温度的优化方法.通过对热声学线性公式的进一步分解,提炼出一个量纲一参数———回热器操作因子.相对水力半径和回热器操作因子建立了工作频率与回热器长度及回热器水力半径之间的定量关系.通过回热器轴向尺寸和径向尺寸的一定比例缩放,使得热声系统在不同频率下实现相同的热声转换效率.以两种典型的热声发动机回热器为例,对操作因子进行优化研究,并由此得到了最佳工作效率下的回热器长度和温度分布.     

热声热机中回热器的数值计算与分析

针对热声热机系统回热器（或板叠）的数值计算。讨论了简单实用的得谐分析方法,并对热声制冷机中的热声板叠进行了数值计算与分析。计算结果为回热器（或板叠）的设计与优化奠定基础,从而保证系统设计的可靠性。     

异型回热器热声热机结构动力学分析

利用商业软件ANSYS从结构动力学角度模拟分析了回热器结构的改变对热声热机的影响.在之前研究的基础上,改造了普通板叠回热器的结构,建立针束、肋片板、微坑板异形回热器模型,对包含各回热器的热声整机模型进行了结构动力学分析.分析得出,普通板叠回热器热声热机在150Hz附近谐振,而异型板叠回热器热机由于结构的改变,共振频率发生变化,在高阶模态应变到达峰值,说明了回热器的结构优化是提高热声热机性能的有效手段.     

驻波型热声制冷机回热器的结构优化

对驻波型热声制冷机的回热器进行了理论研究,通过对绝热情况下回热器内系统能流的分析,得到了以回热器位置和结构参数为变量并能够较为准确地预测出回热器时均温度差△Tm的解析表达式.将所得解析表达式与实验结果、线性化结果进行比较,表明了结果的准确性.运用所得结果对板叠式回热器在声场中的位置、板叠厚度和板叠间距进行优化,得到了回热器最优位置xs=f-1 (△Tm),最优板叠间距2y0/δκ=3.3～3.4,最优板叠厚度为2l/δκ=0.7.     

A novel coupling configuration for thermoacoustically-driven pulse tube coolers： Acoustic amplifier

A thermoacoustically-driven pulse tube cooler has re-cently reached temperatures below 77 K[1] by modifying the resonance tube of the thermoacoustic engine and the hot end phase adjuster of the pulse tube cooler. Normally, the pulse tube cooler is directly connected with the ther-moacoustic engine so that pressure ratio available to the pulse tube cooler is limited by what the thermoacoustic engine can provide[1,2]. To obtain temperatures below 70 K, the high frequency pulse tube cooler genera…     

热声热机中液相工质的选择与计算

分析了热声热机中使用的液相工质的选择方法,研究了适合于热声热机 液相工质的热力学性质和热物理性质的计算方法,并对液相工质R218进行了数值计算,计算结果已有的实验结果相符合,计算方法和结果具有令人满意的精度,研究结果可用于低品位热源如太阳能驱动的热声热机的研究与开发。     

Influence of resonator diameter on a miniature thermoacoustic Stirling heat engine

A small scale thermoacoustic Stirling engine （TASHE） is simulated according to the linear thermoacoustic theory. The computed results show that in a small scale thermoacoustic Stirling heat engine, the diameter of the resonance tube might have important influences on the working frequency and the performance of the engine, which are always neglected in a large scale system. Likewise, the analysis and experimental results show that in order to obtain better engine performance, the diameter of the resonance tube must be chosen appropriately according to the looped tube dimension and the input heating power. This provides an effective way to miniaturize the thermoacoustic Stirling heat engine. According to the computation and analysis, a small scale engine was built, the resonance tube length and diameter of which were about 350 mm and 20 mm, respectively, and the working frequency was about 282 Hz. When the input heating power was about 637 W, the maximal peak to peak pressure amplitude and pressure ratio reached 0.22 MPa and 1.116, respectively, which were able to drive a thermoacoustic refrigerator or an electrical generator.