300 Hz高频热声驱动脉冲管制冷机

介绍了300Hz驻波热声发动机驱动脉冲管制冷机的最新进展.在前期经验的基础之上,针对驻波发动机、脉冲管制冷机以及它们之间的耦合机制进行了优化.在平均压力和加热功率分别为4.13MPa和1760W时,脉冲管制冷机的入口压比达到了1.248,并获得了69.5K的无负荷最低制冷温度,这是该频率范围的热声驱动脉冲管制冷机首次获得70K以下的低温.     

小型斯特林热声发动机谐振管内径的影响研究

基于线性热声理论, 对一台小型热声斯特林发动机进行了数值仿真, 并进行了相应的实验研究. 计算和实验结果表明, 谐振管内径的变化对于小型斯特林热声发动机的谐振频率以及性能具有十分重要的影响. 适当减小谐振管的径向尺寸, 能够有效降低整机的谐振频率, 提高系统波动压力幅值, 这对于热声斯特林发动机的小型化具有重要的指导意义. 根据计算和分析, 搭建了一台小型热声斯特林发动机, 其谐振管的长度和内径分别为350 mm和20 mm, 工作频率为282 Hz, 当充气压力为2 MPa, 加热量为637 W时, 系统最大压力峰峰值和压比分别达到了0.22 MPa和1.116, 初步具备驱动热声制冷机或者热声发电机的能力     

一种大幅度提高热声发动机压比的“声学泵”

压比是评价热声发动机的重要参数之一. 提出了一种可以大幅度提高热声发动机的“声学泵”, 并给出了其工作原理的理论分析. 采用2.5 MPa的氮气在一台聚能型的行波发动机进行了实验, 表明它可以将压比从1.25提高到1.47以上.     

百瓦级行波热声发电机实验样机研究

报道了一种行波热声发动机驱动直线发电机产生电能的实验研究. 在原理实验中, 当热声发动机工作压力为2.5 MPa、谐振频率为64 Hz, 且压力振幅为0.2 MPa时, 该直线发电机可输出100 W以上的电能.     

声振动对秀丽隐杆线虫转向行为的影响

秀丽隐杆线虫是一种典型的模式生物,且其神经系统对光、电、热梯度以及化学药物等有反应.本文报道了声振动对线虫转向行为影响的研究.建立了一套实时的声波作用线虫的电脑成像系统,实现拍摄并统计分析指定区域内多条线虫的行为;基于粒子追踪与形状分析算法,量化线虫行为;利用OFV-5000模块化激光测振系统测量培养基在声波作用下的振动;通过改变声波的位移振幅及频率等参数探讨声振动对线虫转向行为的影响.定义声感系数来衡量线虫转向行为受声振动影响的大小.实验结果表明:秀丽隐杆线虫可以感受到声振动,并且对声振动具有一定的适应性;相对于野生型线虫N2,机械力感觉神经元存在缺陷的突变体线虫mec-4,mec-7对声振动的响应减弱,表明机械力感觉神经元参与了对声波的感应;对于同一频率的声波,位移振幅的增加刺激了线虫的转向行为;但在固定位移振幅下,随着频率的升高,线虫的转向行为呈现先增强后减弱的趋势.本文的工作为进一步探究声波对线虫神经系统的作用并用于治疗神经系统疾病奠定了理论及实验基础.     

突破液氢温度的热驱动热声制冷机

提出了一种“二介质耦合声学放大器”作为热声发动机与低温脉冲管制冷机的新型耦合机构, 使其继续保持压力幅值放大的功能, 且能够在热声发动机和脉冲管制冷机之间安装弹性膜. 利用此新型耦合机构, 可以使热声发动机以氮气为工作介质获得较低的工作频率, 而脉冲管制冷机则可采用氦气为工作介质使其优良的低温制冷性能得到保证. 采用聚能型行波热声发动机驱动, 最终使一台两级脉冲管制冷机获得了18.7 K的无负荷温度, 使热驱动的热声制冷机突破了液氢温度.     

压电石英晶体在电解质水溶液中的振荡性能研究——起振特性与振荡区间

八十年代初,压电石英晶体在液相振荡始获成功。后发现溶液比重、粘度、电导率和介电常数对晶振频率的影响。文献[6]以石英剪切波与流体阻尼剪切波耦合的简单物理模型导出了晶振频移与溶液比重、粘度的数学关系式,但该式不能说明晶体在液相难以起振的原因,亦未反映晶体特性与振荡器性能的影响。本文采用自行设计的Pierce晶体振荡器,研究     

格子Boltzmann方法的工程热物理应用

格子Boltzmann方法在过去的20年里已经发展成为一种有效的数值模拟方法, 它是介于微观分子动力学方法和基于连续介质假设的宏观方法之间的一种介观方法. 该方法与传统的流体模拟方法不同, 它基于分子动理论, 通过跟踪粒子分布函数的输运而后对分布函数求矩来获得宏观平均特性. 基于本课题成员的一些工作, 本文对格子Boltzmann方法在工程热物理领域中研究进展做了简要回顾, 包括: (1) 格子Boltzmann方法的发展简介; (2) 沿着Boltzmann方程 —— Maxwell分布 —— Boltzmann-BGK方程 —— 格子Boltzmann-BGK方程这一主线对格子Boltzmann方法的基础理论和基本模型做了简要介绍; (3) 在格子Boltzmann方法的模型发展方面, 介绍了用于理想气体可压缩流动与传热的耦合双分布函数模型和用于非平衡态气体流动模拟的格子Boltzmann模型. 在格子Boltzmann方法的边界处理方面, 介绍了反弹与镜面漫反射格式及质量修正格式. 在格子Boltzmann方法的计算格式方面, 介绍了显式-隐式有限差分格式, 该格式能够有效地提高计算效率; (4) 在格子Boltzmann方法的应用方面, 着重对其在交变流动、可压缩流动、多孔介质流动、微尺度气体流动及热声中的应用做了详细介绍; 最后指出了格子Boltzmann方法在工程热物理领域中需要进一步研究的内容.     

三维颗粒系统中表面斑图的簇模型

通过与二维颗粒系统的类比, 建立三维颗粒系统在垂直激励下形成表面斑图的簇模型, 并 将表面斑图解释为正棱台簇和底板的碰撞以及正棱台簇和边界的碰撞共同作用的结果. 根据正棱 台簇在与底板的碰撞中吸取能量这一事实, 详细讨论了单个簇与底板的碰撞过程. 再根据运动的 周期性, 由速度关系推导出簇模型的一个基本方程. 该方程将系统的特征参量和激励参量联系在 一起, 并以此分析斑图随激励加速度和激励频率的变化, 以及色散关系. 在一定的参数范围内, 理论与实验吻合较好.     

用于热声驱动脉冲管制冷机的新耦合机制: 声学放大器

提出了声学放大器的概念, 有意识地用一根长管来连接热声发动机与脉冲管制冷机. 理论计算表明, 合适的管长及管径可以大幅度地放大来自热声发动机的压力波动, 脉冲管制冷机从而可以获得更大的驱动压比. 在理论分析的基础上, 初步的研究也证实了压力波动的放大效果. 在平均压力2.46 MPa, 工作频率69 Hz时, 一根内径8 mm, 长2.8 m的紫铜管把来自热声发动机的压力波动幅值平均放大为2.5倍以上. 特别地, 使用1.67 kW的加热功率, 发动机的压比为1.11, 脉冲管制冷机入口的压比到达了1.32, 进而在脉冲管制冷机的冷头获得了65.7 K的温度.     

卫星热模型蒙特卡罗混合算法的修正方法应用研究

基于蒙特卡罗混合算法对地面试验状态下的一颗模拟热控星的热模型的修正进行了研究. 首先对热模型不确定参数进行了敏感性分析, 得到了卫星热控条件下的全局变量和局部变量; 进而将模型修正问题看作参数优化问题, 利用分层修正方法, 采用蒙特卡罗混合算法求解优化问题完成了热模型的修正. 结果显示, 多层当量发射率和涂层发射率是影响整星温度的全局变量, 而接触换热系数是局部变量; 修正后的热模型计算温度与试验温度的偏差全部在±3℃以内, 证明该方法优于传统方法, 完全满足卫星热模型修正的要求.     

有限元法对正三棱柱吸声体的模态分析

文章利用有限元法分别对穿孔板和正三棱柱进行模态分析.在分析过程中,同时改变穿孔板和正三棱柱的板厚、穿孔直径、穿孔率和材料四个参数,通过参数的改变来分析比较固有频率变化和模态分布情况.研究结果表明:改变其中任何一个参数,吸声体固有频率随阶次增加而呈规律性变化,但模态分布变化不大.在改变板厚、材料、穿孔率时.自振频率变化均比改变孔径时变化大.     

二甲醚发动机的新型可控预混合燃烧

提出一种二甲醚可控预混合新型燃烧(CPC)概念, 探索在发动机上实现无烟与超低NO_x排放的新途径. 采用电控低压喷射系统, 将燃料喷射到预混合室, 并由控制阀控制预混合气的形成及燃烧过程. 以单缸135柴油机为基础设计制作了试验装置. 初步试验表明: 在优化的发动机参数条件下, NO_x排放量低于 65×10^-6, 烟度为零. 燃烧过程分析发现, 控制阀对燃烧过程有着显著的影响, 是实现高效燃烧过程的关键.     

热声发动机及其驱动脉管制冷机研究进展

热声驱动脉管制冷作为一种可用热能驱动的完全无运动部件的新型制冷方案已成为制冷与低温领域的研究热点. 回顾了热声学的发展历史, 针对热声发动机及其驱动脉管制冷机研究中的关键技术, 综合评述了热声学理论和实验研究的最新进展与典型样机, 并指出了该研究领域今后的发展方向和工业应用的前景.     

类岩材料多裂隙体在单轴压缩下的数值模拟

应用岩石破裂过程分析系统(RFPA2D)软件,考虑岩石的非均匀性,对含不同裂隙倾角和分布密度的试件在单轴压缩下的破坏模式进行研究,探索了不同裂隙倾角和分布密度对多裂隙类岩石材料断裂破坏模式的影响规律.数值分析与实验结果基本一致,试样破坏是一个由渐变到突变的过程,总体破坏过程可大致分为弹性变形阶段、裂纹萌生和稳定扩展阶段、裂纹不稳定扩展至失稳阶段3个阶段;声发射事件也可对应分为线性阶段、增长阶段、突变阶段3个阶段.对比不同试件组发现,含多预制裂隙体的裂纹贯通方式和整体破坏方式由裂隙倾角起主导影响作用;裂隙分布密度对裂隙体整体破坏形式的影响因裂隙倾角的差异而有所不同.     

等离子驱动微小碎片加速器机理及运行参数

毫米以下尺寸微小碎片在近地空间存在数量大, 对航天器暴露材料的长期累积侵蚀作用成为影响航天器寿命和可靠性的重要因素, 在航天器的空间环境适应性设计中必须予以考虑. 为了模拟研究空间微小碎片对航天器材料的撞击效应, 研制了等离子体驱动的微小碎片加速器. 本文对加速器的核心过程—— 等离子体的加速、压缩进而形成超高速等离子体射流的物理过程建立了物理模型, 并进行了计算以及与实验结果的对比分析, 揭示了加速过程的物理机制, 为加速器的优化设计提供了依据. 同时, 通过一系列实验研究, 确定了加速器运行的最佳工作参数, 并初步获得了加速器的加速能力范围.     

航空发动机整流罩新型防冰方法

在一定的飞行条件和气象条件下,航空发动机的进气部件会出现结冰现象,导致发动机性能恶化甚至危及安全.目前,防止发动机结冰的方法主要包括压气机热气防冰和电加热防冰,不可避免地要消耗用于做功的高压空气或高品位电能.本文开展利用发动机废热防止整流罩结冰的高效低能耗的新型防冰方法研究.提出了一种旋转整流罩热管防冰系统结构,建立了描述旋转整流罩热管防冰系统流动与传热现象的数学模型与设计方法,研制了典型旋转整流罩热管防冰系统原理样机;系统地开展了旋转整流罩热管防冰系统性能的数值模拟和冰风洞条件下样机防冰性能的实验验证,分析研究了发动机转速和传热量等因素对发动机整流罩热管防冰系统性能的影响.结果表明,本文建立的旋转整流罩热管防冰性能模型可以较好地预测防冰系统的性能,建立的防冰样机满足设计气象条件下的防冰要求,证明了旋转整流罩热管防冰技术的可行性.     

二甲醚发动机超细颗粒排放属性实验研究

采用两级稀释取样装置和颗粒粒径分析仪——SMPS, 研究了不同转速和负荷下二甲醚发动机排放超细颗粒的数浓度和粒径分布特征, 并与原柴油机的颗粒排放进行了比较, 发现燃料组分显著影响排气颗粒的数浓度、质量浓度和粒径分布. 二甲醚发动机颗粒质量排放与柴油机相比有显著改善, 柴油机颗粒质量排放高出二甲醚发动机5.7~17.7倍; 高转速下(n = 2200 r/min), 二甲醚发动机颗粒数量排放与柴油机相比有一定程度的改善, 柴油机颗粒数量排放高出二甲醚发动机0.75~2.2倍; 而中间转速下(n = 1400 r/min), 中、高负荷时柴油机颗粒数量排放与二甲醚发动机相比反而下降50%~80%左右. 与二甲醚发动机相比较, 柴油机排放积聚模态数浓度增加 4.2~62.6倍, 积聚模态几何平均粒径增大10~30 nm左右, 这与二甲醚分子结构中不含C—C键以及燃料含氧有关; 二甲醚发动机排放大量核模态粒子, 这与二甲醚发动机排气中的挥发和半挥发性组分的成核和凝结作用有关.     

Ni/MH动力电池循环过程热效应分析

通过建立二维热模型对6.5 Ah 圆柱型Ni/MH动力电池在常规循环和模拟工况循环过程中的热效应进行了分析, 并讨论了循环次数对电池热效应的影响. 实验采用石英频率微量热仪对电池的热容量及其在不同电流(1 C, 3 C, 5 C)过充电时的产热速率进行了测量, 继而将产热速率曲线拟合成分段函数, 以此建立精确的热模型. 实验采用有限元方法模拟了电池在不同循环次数时不同电流充电过程中其内部温度场分布. 结果表明, 电池在常规循环和模拟工况循环时, 循环次数与电池内部中心温度之间均近似呈现线性关系; 同时, 在对电池热效应的测试过程中, 充电电流越大, 循环次数对热效应的影响越显著. 由此, 可以预测不同循环次数时电池内部的温度分布, 从而对不同循环次数时电池的实际使用条件提供指导.     

热分析法测量磷灰石中固体核径迹

提出了一种新的固体核径迹测量方法—— 热分析法. 该方法利用微量热分析方法, 通过测量样品中某种重粒子留下的固体核径迹在退火时单位质量中放出的退火热量来测量样品单位质量中的固体核径迹数. 具体介绍了通过测量磷灰石中α粒子核径迹退火热量来测量磷灰石中含有α粒子核径迹数的方法及其意义, 并对该测量方法的机制和应用前景作了探讨.