《基於氣液相變的熱聲效應機理研究》是依託浙江大學，由湯珂擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於氣液相變的熱聲效應機理研究
- 依託單位：浙江大學
- 項目負責人：湯珂
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
相對於傳統基於單相工質的熱聲轉換方式，本項目擬通過基於氣液相變過程的熱聲效應來改善熱聲熱機性能，其學術思想在於利用氣液相變的物性特徵以提高低品位熱源在熱聲熱機中的適用性，強化熱聲轉換，並提高能量密度。擬通過包含相變過程的工質微元熱力循環分析，揭示基於氣液相變的熱聲效應機理，並據此探索有利於實現高效率、高能量密度氣液相變熱聲轉換的工質熱物性；從溫差和壓差兩種相變驅動因素出發，分析氣液相變過程的聲阻抗特性，進而研究高效的氣液相變熱聲轉換系統構型；通過分析交變流場中瞬態蒸發和冷凝過程的特點，探索合理的換熱器（加熱器和冷卻器）結構形式。本項目研究有望為發展低品位熱源驅動的高效、高能量密度熱聲發動機系統提供新思路，進而為其在驅動制冷機或發電系統等方面的潛在套用奠定基礎。
結題摘要
熱聲發動機基於交變流動流體的熱聲效應實現熱能向機械能的轉化，因其內部完全無固體運動部件，避免了機械摩損與滑動密封，從而具有運行可靠性高、壽命長等優點。近年來，各國學者針對熱聲發動機開展了深入研究，使其獲得快速發展。現有熱聲發動機通常採用氣體工質，分析其工作機理和技術現狀可以發現，還存在諸如驅動熱源溫度較高而難以直接利用低品位熱源，以及能量密度相對較小導致系統體積較大等不足，這是目前熱聲發動機領域亟待解決的問題。相對於傳統基於單相工質的熱聲轉換方式，本項目擬通過基於氣液相變過程的熱聲效應來改善熱聲發動機的性能，其學術思想在於利用氣液相變的物性特徵以提高低品位熱源在熱聲發動機中的適用性。圍繞該研究主題，本項目開展的主要研究工作以及研究結果包括：（1）分別針對駐波和行波聲場構建了氣液相變熱聲轉換過程的工質微元理想熱力循環，揭示了氣液相變熱聲效應的機理，並比較了不同工質氣液相變熱聲轉換過程的性能。（2）針對開式和閉式兩種氣液相變熱聲發動機系統，建立了聲電類比模型，並利用該模型分析討論了結構參數等對於該兩種氣液相變熱聲發動機性能的影響。（3）基於模擬計算結果，設計並搭建了開式和閉式兩種氣液相變熱聲發動機實驗裝置各一套，開展了結構參數以及不同工質的實驗性能比較研究。實驗結果顯示：氣液相變熱聲發動機的起振驅動溫差最低可僅為19攝氏度；開式氣液相變熱聲發動機負載液柱峰-峰位移振幅可達到135 cm；閉式氣液相變熱聲發動機獲得了17kPa的壓力振幅；對於開式系統，工質在大氣壓下的沸點是影響其起振溫度的關鍵因素；而對於閉式系統，飽和壓力與飽和溫度的對應關係決定系統的工作壓力，並對壓力振幅產生重要影響。（4）開展了平行平板流道內交變流動傳熱特性實驗研究，獲得了包含雷諾數、瓦倫西數、壓比以及流道長徑比影響的實驗關聯式，可為熱聲發動機以及脈管制冷機室溫端換熱器的傳熱設計提供指導。總體來講，本項目從熱力學的角度揭示了氣液相變熱聲效應的機理，所建立的氣液相變熱聲發動機實驗裝置能夠在低於50攝氏度驅動溫差條件下成功起振並穩定運行，展示了氣液相變熱聲發動機對於低品位熱源的良好適用性，為今後進一步探索低品位熱源驅動的熱聲發動機系統奠定了良好基礎。
