过冷沸腾中热声振荡驻波自激形成的实验研究

借助工程信号处理的时间和频域方法，详细分析了竖直管内过冷沸腾中声振荡特性，获得了热声振荡驻波自激成形主流过冷真的关系。     

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 .     

竖直窄环隙流道自然对流过冷沸腾实验研究

以水为工质，在常压下对竖直窄环隙流道进行了内侧加热自然对流过冷沸腾换热实验研究．实验考察了入口过冷度和热流密度对过冷沸腾换热系数的影响．结果表明，当热流密度一定时，换热系数随入口过冷度的增大而减小，而且，当入口过冷度变化趋势不同时，所对应的换热系数也不相同．另外，当入口过冷度为定值时，换热系数随着热流密度的增加出现非单调变化．     

Rijke管热声不稳定的实验研究

针对推进系统常发生的具有破坏性的热声振荡现象,为了获得热声振荡的共振频率信息并提供一种有效的抑制途径,自行搭建了Rijke管热声振荡实验测试平台,在不同热源位置、不同热源功率及不同空气流速等条件下测量了热声振荡的频率及声压。实验测得的热声振荡频率均在110~117Hz之间,属低频振荡,且热声振荡的频率和声压随热源功率和空气流量的增加整体呈现升高的趋势;相反,随着热源的后移,共振频率下降,当热源在Rijke管的1/4处时,热声振荡的发声强度达到最大。此外,随着热源功率和空气流速的增加,热声不稳定的区域随之增大。实验结果与理论计算结果吻合良好,从而可为推进系统热声振荡的主被动联合控制方法提供丰富、可靠的实验数据。     

结合系统辨识的甲烷掺氢预混火焰热声稳定性研究

为了研究甲烷掺氢燃料对燃气轮机燃烧室热声振荡特性的影响，利用计算流体动力学结合系统辨识(CFD-SI)的方法对某旋流预混燃烧室进行了数值研究。在非定常CFD模拟中提取上游速度与火焰整体热释放率波动的时间序列，并通过相关性分析进行系统辨识，获取了不同甲烷掺氢比下的火焰传递函数(FTF),并结合低阶网络模型对燃烧室热声不稳定性进行了分析。结果表明，随着体积掺氢比的提高，火焰逐渐由“V”形变为“M”形，燃烧器出口处的涡结构先形成后消失，这导致了燃烧室热声振荡特性的改变。在体积掺氢比低于30%时，火焰响应不发生较大变化，燃烧室振荡频率小幅提高；当掺氢比在30%～60%时，火焰对低频的响应逐渐增强，对高频响应先增强后减弱，燃烧室在200 Hz附近热声模态的振荡消失，火焰稳定性增强，但高频纯声学模态被激发；而当掺氢比达到60%时，燃烧室内重新出现热声模态的振荡。对于以天然气作为燃料的燃气轮机，适当的掺氢比能改善燃烧室内的热声不稳定性，但氢气加入会更容易激发燃烧室的高频纯声学模态，使其在高频范围内出现振荡。     

多壁碳纳米管的太赫兹电磁场响应

采用Floquet散射方法,探讨外加太赫兹高频电磁场辐照下多壁碳纳米管的电子能态密度和重整化电阻.研究发现,在外场辐照场频率一定时,系统电子能态密度随着外场强度的增强先振荡上升后振荡下降,重整化电阻先迅速下降后振荡上升;当外场辐照场强度一定时,系统电子能态密度随着外场频率的增加先迅速上升至某一饱和值,然后缓慢振荡下降,重整化电阻先急剧下降至0.10,附近然后缓慢振荡上升.     

自然循环静态流量漂移诱发动态流量振荡研究

为探讨两相流及流动稳定性理论及工程问题,通过实验研究描述了自然循环静态流量漂移及静态流量漂移过程中出现的动态流量振荡现象;研究了在自然循环系统中流量发生漂移时系统循环流量,加热段进出口温度的变化规律。结果表明欠热沸腾所引起的流动阻力变化是导致静态流量漂移的主要原因;在发生静态流量漂移时系统循环流量下降,进口温度下降及出口温度上升;随着静态流量漂移的发展,欠热沸腾逐渐强烈,伴随着静态流量漂移系统内同时发生具有密度波及喷泉不稳定特点的动态流量振荡。在对现象描述的基础上,阐述了静态及动态流量不稳定发生的机理。研究结果证明在自然循环中静态流量漂移将会诱发动态流量振荡。     

地面模拟微重力下两相流动沸腾换热的分析

从加热面方向角、流动速率、过冷度、绝对压力等几个方面对地面上模拟微重力下两相流动沸腾换热的条件进行了分析．认为当沸腾试验段入口流动速率、过冷度、绝对压力及外加热流密度等相同时,在流速达到一定值后,如果向上与向下流试验段出口处的温度、压力、含汽率等基本一样,两者换热系数大致相当,且试验段沿程各点壁温无突变、试验段出口含汽率满足保证核态沸腾正常进行所必须的下限等,那么就构成了地面模拟的条件．     

高频热声发动机的声耦合特性

将协同理论引入高频热声发动机的耦合研究中,基于协同理论得出对高频热声发动机耦合的重要影响参数;建立2列热声振荡器在同一个谐振腔中声耦合的数值研究模型,分析高频热声发动机初始相位差及间距、谐振腔长度以及谐振管长度对声耦合作用的影响。研究结果表明:对高频热声发动机耦合有重要影响的参数有热声发动机间的初始相位差、谐振频率以及耦合强度,高频热声发动机间距对协同影响较小;在保持模型直径、管壁粗糙度等尺寸结构不变的条件下,当谐振腔长度为6 cm时出现协同现象;当谐振腔长度为6 cm时,改变谐振管的长度,谐振频率差对耦合的影响很大,协同状态消失并出现拍频现象,拍频与2列热声振荡器的谐振频率差近似呈线性关系。     

Two-port network model and startup criteria for thermoacoustic oscillators

The startup process of a thermoacoustic engine is a self-excited oscillation process generated in inhomogeneous acoustic media. To reveal these coupling relations between various influential factors is an important task of basic research on thermoacoustics. In this paper thermoacoustic engines are regarded as thermoacoustic oscillators consisting of the active network and the passive network. Accordingly, the two-port Y-parameter for relevant component is derived, and standing wave and traveling wave thermoacoustic engine are described by the negative-resistance and feedback model, respectively. The relevant two-port network topology is given as well. The startup criteria for thermoacoustic oscillators are obtained by using Nyquist instability criterion. The model prediction of startup parameters, particularly, startup frequency and mode characteristic are in agreement with that of experimental results reported in the literature. Moreover, with topological graphs it is verified that standing wave engines would start up in a negative-resistance state and there would exist high frequency modes in thermoacoustic-Stirling engines. By investigating into the frequency response of thermoacoustic system, this method proposed can achieve such an objective that these effects of operating and structural parameters of engine on startup modes and startup temperature can be revealed in an analytical way. Thus this approach to test and check thermal stability can be provided in a design phase, instead of using empirical frequency to design thermoacoustic systems. Electronic Supplementary Material  Supplementary material is available for this article at and is accessible for authorized users. Supported by National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 50576024 and 51076013)     

自然循环过冷沸腾流动和CHF的实验研究

为了研究自然循环过冷沸腾条件下流动不稳定性和临界热流密度 ( CHF)的影响因素及其规律 ,以氟里昂作工质 ,在系统压力为 0 .9～ 2 .4MPa,入口过冷度为 -0 .61～-0 .0 8K,加热功率为 1.2～ 13 k W实验条件下 ,对自然循环过冷沸腾流动不稳定性和 CHF进行了实验研究。实验结果证实 ,自然循环系统内可能发生两类流动不稳定性 :高频声波型脉动和低频密度波型脉动。流动不稳定性的发生与整个系统的几何结构及总加热功率有关 ,而 CHF则主要取决于局部的流动参数和加热热流密度。得到了判断系统流动不稳定性的发生界限。修正的 Bowring关系式可以可靠地用于预测自然循环过冷沸腾条件下的临界热流密度     

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。     

不带导流板矩形腔流激振荡的幅值特性

通过试验,分析,探讨了流激振荡的幅值特性和耦合振荡特性,发现在小迎角下,腔的驻波振荡占优势,其振荡产声压随迎角的增大而增大迎角下,流体动力振荡占优势,其振荡声压级随迎角的增大而增强,在大迎角下,流体动力振荡与腔的驻波振荡发生耦合共振,其耦合振荡声压级随迎角的增大而减小,耦合振荡的产生有限制条件,即迎角存在下限,流速存在上下限,上限流速随气流迎角的增大而增大。     

Characteristics of onset and damping in a standing-wave thermoacoustic engine driven by liquid nitrogen

We explore characteristics of onset and damping in a thermoacoustic engine (TE) driven by cryogens instead of conventional heat sources above the ambient temperature by a comprehensive study of a self-made standing-wave thermoacoustic engine driven by liquid nitrogen. The experiments verify the feasibility of enhancing the thermoacoustic oscillation at cryogenic temperatures. The onset temperature difference along the stack of the TE significantly decreases, compared with that of a conventional TE driven by high-temperature heat sources. The resonance frequency of the cryogen-driven TE is smaller than that of the heat-source-driven TE, mainly due to the lower average temperature of the working gas. Experiments and calculations show that the temperature discrepancy between onset and damping is partly caused by the linear temperature distribution along the stack before damping, together with the nonlinear distribution before onset. These results will contribute to a better understanding of thermoacoustic oscillation and to the recovery of the cold energy of cryogens.     

强驻波声场中脉动速度特性

利用激光多普勒测速仪对管内空气强驻波声场中脉动速度特性进行了测量.实验结果表明:强声场对流场有很强的调制作用,使流场产生了与声波同频率的周期性脉动,且脉动幅度随着声场强度的增加而增大.管内声场强度不大时,实验值与理论值吻合较好;声场强度超过160dB后,出现了声湍流现象,实验测量值与理论计算值之间存在明显的偏差.当管内压力波幅处声场强度达到164 dB时,距离反射板130 mm位置处(sin kx=0.67)湍流脉动速度均方根值为3.50 m/s,达到了该位置处脉动速度幅值的45%,表明强驻波场声湍流脉动非常剧烈.     

平面型热声转换装置的特性分析

利用热声效应制作出一种由加热层、绝缘层和储热层构成的平面型热声转换装置.对加热层输入交变电压信号时,由于焦耳效应及各层材料的不同热力学特性,其表面附近区域会产生相应的声波.通过对装置模型进行理论分析,推导出装置输出声压及效率的表达关系式,并利用高速数据采集系统及红外成像仪对装置工作特性进行了实验研究.结果表明:该平面型热声转换装置的输出声压和效率随输入电功率的增大而增大;环境温度对装置输出声压的影响较小;通过对装置表面静态温度场分布进行分析,得到装置结构的优化方法.该装置实现了电能、热能、声能之间的转换,具有无任何运动部件、频率可控、稳定性高等优点,因而可广泛用于电声换能领域.     

微槽平板传热实验研究(英文)

本文以甲醇为工质实验考察了方型微槽结构平板的传热特性,测试了6种不同尺寸实验段的传热数据,发现槽内单相液体对流随加热负荷或壁温升高有传热与流动形态的变化。分析表明,这种形态变更与微槽内液体因壁温升高引起的明显物性变化密切相关。文中分析了液体流速、温度以及微型结构的几何尺寸对传热及流动形态变化的影响。实验还发现微槽结构内的流动核沸腾与通常情况存在明显差异。本研究为微尺度传热的高技术应用和深入的理论研究提供了实验依据。     

不带导流板矩形腔的流激振荡的频率特性

通过试验发现不带导流板矩形腔的流激振荡问题中,存在两种机理的振荡模式－腔的深度方向上驻波振荡和流体动力振荡,分析,探讨了不同气流迎角,不同腔深情况下的两种振荡频率的变化规律。从中得到如下结果：（１）驻波振荡频率几乎不随流速迎角的变化而变化,但随腔深、腔口截面积的增大而减小;（２）流体动力振荡频率所对应的Ｓｒ近似为一常数,不随流速变化,但随迎角的增大而减小。     

用超声光栅测液体中声速的理论与实验研究

描述了平面超声波在液体里传播形成超声光栅的原理；根据非理想流体对应的连续性方程和Lorentz-Lorenz定律，推导了液体光栅中液体密度与折射率的周期性变化规律，表明液体密度和折射率变化满足相似的驻波方程；根据推导的结果描绘了几个特殊时刻的驻波波形、液体密度、折射率周期性变化之间的关系曲线；进而由折射率周期性变化规律分析了超声驻波自身像的形成原理，并给出了CGS型超声光栅声速仪利用超声驻波自身像测量声速的方法与实验结果．