可利用中溫熱能的雙級高效行波熱聲發動機機理研究

《可利用中溫熱能的雙級高效行波熱聲發動機機理研究》是依託東莞理工學院，由陳佰滿擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：可利用中溫熱能的雙級高效行波熱聲發動機機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：陳佰滿
• 依託單位：東莞理工學院

項目摘要

近期提出的多級行波熱聲發動機能夠增加聲功密度和降低系統對熱源溫度的要求，具有實現低品位熱能高效利用的潛力。目前對多級行波熱聲發動機的起振機理、耦合特性和聲功輸出匹配等研究還比較初步，系統在設計和套用中常遇到最佳化變數多，熱聲效率低等問題。針對這些科學問題，本項目選取兩個熱聲單元（雙級）的行波熱聲發動機作為研究對象，將探索系統在中溫驅動條件下的高效工作機理，系統分析回熱器參數的耦合特性，研究其耦合特性對系統自激振盪和聲功增益率的影響規律；探討兩個熱聲單元之間的相互影響機制，深入研究其相互影響機制和聲功輸出的匹配規律，揭示雙級行波熱聲發動機在中溫驅動條件下實現相對高效率的工作機理，為雙級行波熱聲發動機的設計和套用提供理論依據和參考。

結題摘要

本課題深入研究了中溫驅動條件下雙級行波熱聲熱機回熱器參數對系統自激振盪和聲功增益率的影響規律；掌握兩個熱聲單元之間的相互影響機制和系統聲功輸出的匹配規律；揭示了雙級行波熱聲熱機在中溫驅動條件下實現相對高效率的工作機理。對於該項目，具體研究內容如下： （1）對線性熱聲理論進行了總結及討論。採用拉格朗日坐標系下的氣體微團分析法分析了板疊中的氣體微團所經歷的熱力學過程，利用過程分析法闡述了回熱器中氣體微團的運動過程。從基本流體力學控制方程出發，將控制方程頻域線性化後，推導了線性熱聲理論的基本波動方程，獲得聲功流及總能流的表達式，給出了評價系統性能的核心指標，熱效率、相對卡諾效率及最大壓比。 （2）基於線性熱聲模擬軟體DeltaEC對雙級行波熱聲熱機系統進行數值模擬研究。根據系統的中心對稱性，構建了DeltaEC簡化模型，提出對其中一級熱聲熱機單元進行模擬也可達到模擬整圈環路目的的猜想並通過構建閉合環路模型及開式半圈模型得以驗證。利用DeltaEC獲得了系統內聲場、聲功流及總能流的沿程分布規律，探究了不同工況下不同回熱器長度對淨聲功、輸入功率、熱效率及壓比的影響。結果表明，以氦氣作為工質，系統的工作頻率為153Hz，熱效率為40.22%，相對卡諾效率為60.16%。當回熱器長度恆定時，系統聲功、輸入熱量及最大壓比隨充氣壓力增加而增大；當充氣壓力一定時，，系統聲功、輸入功率計最大壓比減小與回熱器長度成正比。 （3）提出了一種適用於雙級行波熱聲熱機的系統設計方案。根據線性熱聲理論，結合現行壓力管道設計標準，對雙級行波熱聲熱機系統內各熱聲元件進行設計計算，介紹了各熱聲元件的設計原則，並給出了基本設計參數下的量化設計指標。 （4）以氮氣和氦氣為工質的雙級行波熱聲熱機特性實驗研究。分別採用氮氣和氦氣為工質，在雙級行波熱聲熱機實驗平台上進行了實驗，得出熱源溫度較低時採用氮氣作為工質更為適合，當熱源溫度較高，且熱流密度較大時，採用氦氣作為工質輸出聲功更大，效率更高。