面向低品位熱源的多級環路行波熱聲發動機研究

《面向低品位熱源的多級環路行波熱聲發動機研究》是依託浙江大學，由金滔擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：面向低品位熱源的多級環路行波熱聲發動機研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：金滔
• 項目類別：面上項目

項目摘要

低品位熱源是能源領域尚未充分利用的重要潛在資源，對其進行有效利用是節能減排的重要舉措之一。本項目的研究思路為通過具有低起振溫度特徵的多級環路行波熱聲系統，利用低品位熱源驅動熱致聲轉換過程，所產聲功可用於驅動有效負載。擬探討多級環路行波熱聲系統的工作機理，系統分析熱聲核在環路中的布置方式以及相位匹配情況，提出多級環路系統的拓撲結構最佳化原則。鑒於環路系統中聲功產出單元（熱聲核部分）和聲功傳遞單元（諧振管部分）的阻抗不平衡特徵而需採用非等徑結構實現環路中的聲阻匹配，擬就熱聲部件結構尺寸對系統聲場、熱聲轉換效應和能量分布與傳輸的影響進行分析與最佳化，旨在降低起振溫度、提高低溫位驅動下的熱聲轉換效率和提升系統的聲功輸出性能。在理論最佳化和先期實驗研究的基礎上，改進原有或者構建新的實驗系統，開展更系統的實驗研究工作。本項目可望為低品位熱能的利用和熱聲技術實用進程拓展出差異化競爭的空間。

結題摘要

本項目就多級環路行波熱聲發動機系統開展理論和實驗研究工作，旨在進一步降低熱聲系統的起振溫度，提升在低溫熱源驅動下的熱聲轉換效率，並提高環路中聲功的輸出性能。首先，分析了多級環路行波熱聲系統的聲阻抗匹配機理並完成了拓撲結構最佳化。揭示了熱聲轉換效應聲場相位的依賴機制，提出依靠阻容協同來精確調控熱聲核所處聲場的相位關係。系統提出單級到四級環路熱聲發動機，實現具有合理聲阻抗分布的拓撲結構。然後，從數值計算和實驗兩方面研究了回熱器對系統起振特性和輸出性能的影響, 闡明了回熱器幾何尺寸對環路行波熱聲發動機輸出特性的作用機理。採用可變阻容負載法對三級熱聲發動機系統的輸出特性進行了實驗研究, 揭示了阻容負載對多級環路行波熱聲發動機輸出特性的影響機制。在此基礎上，將三級環路熱聲發動機與一台直線電機耦合，搭建了一台三級環路熱聲發電系統，探究了熱源溫度對系統的輸出電功和熱電轉換效率的影響，初步驗證了利用低品位熱源驅動環路熱聲發電系統進行發電的可行性。建立三級環路行波熱聲發電系統模型，通過機理分析和實驗驗證相結合的方法，進一步對外接電容和電阻、諧振頻率以及容腔位置和長度進行了最佳化，有效提高了三級環路行波熱聲發電機的熱電轉換效率。對比分析了一到四級環路行波熱聲發電機的系統性能，並探究了環路熱聲系統中的Gedeon聲直流對輸出性能的影響機制，成功實現低溫位熱源驅動熱聲發電。本項目為低品位熱源的有效利用提供了一條新思路，這對於拓展熱聲技術實用進展的差異化競爭空間具有重要意義。