《聲場與重力場耦合作用下太陽能熱聲熱機性能研究》是依託鄭州大學，由沈超擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：聲場與重力場耦合作用下太陽能熱聲熱機性能研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：沈超
- 依託單位：鄭州大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
太陽能熱聲發動機是一種全新的太陽能熱利用設備，系統以惰性氣體作為工質，在完全無運動部件的條件下直接將太陽能轉換為振盪壓力波形式的機械能，具有可靠性高、綠色環保等突出優點，因此具有廣闊的套用前景。在熱聲熱機隨集熱器追蹤太陽過程中，內部工質受到聲場與重力場的耦合作用，探究聲場與重力場對熱聲熱機性能的影響對於提高熱聲熱機的性能具有急迫的工程需求，同時探究多場耦合作用下交變流動與換熱的規律又具有重要的科學意義。本項目計畫開展研究內容包括：1、建立聲場與重力場耦合作用下熱聲熱機內部流動與換熱的準確數學模型，探究系統結構尺寸對熱聲熱機性能的影響規律，提供太陽能熱聲熱機最佳化設計原則；2、探究聲場與重力場耦合作用下，熱聲熱機內部流動與溫度分布變化對系統工質的依賴規律，提供太陽能熱聲熱機工質選取原則；3、基於PIV對熱聲熱機內部流場變化進行實驗研究，探究熱聲熱機工作機理和自激振盪原理，進一步完善熱聲理論。
結題摘要
太陽能熱聲發動機是一種全新的太陽能熱利用設備，具有可靠性高、綠色環保等突出優點，因此具有廣闊的套用前景。在熱聲熱機隨集熱器追蹤太陽過程中，內部工質受到聲場與重力場的耦合作用，探究聲場與重力場對熱聲熱機性能的影響對於提高熱聲熱機的性能具有急迫的工程需求，同時探究多場耦合作用下交變流動與換熱的規律又具有重要的科學意義。基於此本項目針對多場耦合作用下熱聲熱機內部的流動與傳熱特性開展了可視化實驗研究。 本項目搭建了駐波型熱聲發動機實驗裝置，研究了其起消振溫度、工作頻率和壓力振幅等基本工作特性。本項目實驗研究了45°、90°、0°、-45° 和 -90° 五個角度下發動機的起消振溫度及工作過程中板疊處的溫度變化，分析了不同角度下重力作用下的熱對流對起振過程的影響。實驗發現駐波型熱聲發動機在水平安裝時具有最低的起振和消振溫度。隨著角度的旋轉，發動機的起消振溫度出現不同程度的上升。當加熱器位於冷卻器上方時(45°和90°)，在重力場影響下熱端熱氣流不斷向上流動，不利於板疊處氣體與固體介質間的換熱，發動機起振溫度升高。起振後系統內的聲振盪強制將熱氣流帶向冷端，板疊處溫度升高。當加熱器位於冷卻器下方時(-45°和-90°)，受重力影響，板疊處存在著由下向上的強烈熱對流，造成大量的熱損失，系統起振溫度大幅度上升。發動機高溫起振後，系統內強烈的聲振盪抑制了板疊處的上升熱氣流，板疊處溫度下降。 為進一步分析多場耦合作用下熱聲熱機內部的交變流動與換熱規律，實驗中利用揚聲器模擬熱聲起振，基於粒子成像測速儀(PIV)和紅外熱像儀觀察了45°、90°、0°、-45° 和-90°五個角度下揚聲器驅動的熱聲熱機熱聲核內的速度和溫度場分布。實驗發現熱聲核處的流動與傳熱特性受熱對流與聲振盪的共同影響，當熱聲熱機水平安裝時，熱聲核處存在環形的熱對流，溫度呈階梯狀分布。聲場引入後熱聲核處換熱模式由自然對流變為強制對流，在聲振盪作用下溫度分布變為拋物狀。當熱端位於冷端上方時(45°和90°)，熱聲核處的熱對流非常微弱，周期速度在聲振盪的影響下遵循正弦規律變化。當熱端在冷端下方時(-45°和-90°)，受重力場作用，加熱器與冷卻器間存在著強烈的熱對流，熱聲核處溫度很高。在熱對流的影響下熱聲核處的正弦速度分布呈現出整體的向上正位移。正是在聲振盪與熱對流的共同作用下，熱聲熱機在不同的傾角下表現出不同的工作特性。
