新型双作用行波热声发动机的研究
文献类型：学位论文
| 答辩日期 | 2014 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 罗二仓 |
| 关键词 | 双作用热声发动机 谐振机构 液体振子 细长谐振管 阻抗 |
| 学位专业 | 博士 ; 制冷及低温工程 |
| 中文摘要 | 本文探索研究了一种新型的行波热声发动机技术，将三台相同的热声发动机核心单元串联成环路，中间采用液体振子或细长谐振管连接，搭建成中国首台双作用行波热声发动机系统。这种新型双作用行波热声发动机在具有传统行波热声发动机可靠性好、潜在效率高、热源适应性强、工质环保等优点的同时，又有效地解决了其存在的谐振管尺寸大、功率密度低等问题，是热声发动机发展过程中一次重要的突破和创新，具有较高的科研价值和广阔的应用前景。为了全面揭示新型双作用行波热声发动机系统的工作机理和变化规律，本文开展了以下的理论和实验研究： 1. 双作用热声发动机谐振机构的研究 分析了热声发动机谐振机构中气体谐振管和机械谐振器的发展历程，全面了解了不同谐振机构的优点和不足。研究了热声发动机不同谐振机构的频率关系式，更好地掌握了不同谐振机构下双作用系统的工作机理以及频率调节的影响参数。拓展了简化热声理论的应用范围，将其应用在新型双作用行波热声发动机系统中，分别推导了以细长谐振管、液体振子和直线电机作为谐振机构的简化热声理论模型，从而可以直观地看到影响谐振机构进出口压力波和体积流的各参数，为双作用系统的实验研究提供理论指导。 2.气液双作用行波热声发动机的研究 对设计搭建的首台气液双作用行波热声发动机开展了全面而细致的模拟计算和实验研究。通过三机和多机串联的模拟计算，揭示了气液双作用行波热声发动机在无负载情况下各参数的沿程分布和系统性能的变化规律，以及在外接不同气库情况下系统的运行状态和输出特性，更好理解了发动机的工作机理，并为实验研究提供规律指引。 开展了不同压力和加热量下气液双作用行波热声发动机无负载的实验研究，在1.5MPa、1200W加热量下，热端温度295℃时获得了最高的压比1.45，远大于同温度下传统的行波热声发动机，性能得到大幅提升。开展了不同工质下无负载的实验研究，对比了氦气、氮气、CO2作为工质对系统性能的影响并全面分析了不同工质的优缺点，为今后应用中工质的选择提供了重要参考。 开展了不同加热量和不同气库容积下外接针阀气库的实验研究，采用1L气库时，三台发动机分别输出了96W、112W和110W的声功，取得了较好的初步实验结果。详细分析了无负载和外接负载时三台发动机的不一致性问题，考查了不同参数不一致时对发动机声功的沿程分布以及净输出声功和效率的影响，对改善环路的不一致性问题具有一定的指导意义。 3.声学双作用行波热声发动机的研究 开展了首台声学双作用行波热声发动机无负载情况的模拟计算，揭示了三机串联时发动机各参数的沿程分布以及多机串联时系统性能的变化规律，充分了解了发动机的工作机理并为实验研究提供重要参考。开展了不同平均压力和不同空腔容积时无负载的实验研究，各压力下最高压比均接近1.3，达到了传统行波热声发动机的最优性能，同时结构更紧凑，功率密度大幅提高。 分析了环路中直流产生的原因、危害及抑制方法，开展了环路中有无弹性膜的对比实验，找到了有效抑制环路直流的方法，加膜后热端漏热明显减小，压力波动显著增大，对提高环路双作用系统的性能具有重要意义。开展了不同平均压力下外接针阀气库的实验研究，采用1L气库时，三台发动机分别获得了最大输出声功320W、293W和 289W，最高输出效率16.6%、15.4%和15%，取得了较好的实验结果。 推导了双压力传感器法测量声功在无粘和有粘情况下的计算公式，利用程序验证了计算方法的可行性，并开展了双压力传感器法测量谐振管声功的实验研究，开辟了双作用系统谐振管声功测量的简易方法，对于评估谐振管的损失以及提高系统的性能都有很大帮助。 4.双作用热声发动机核心单元热声转换的研究 为进一步分析双作用发动机的性能以及掌握发动机与电机的阻抗匹配规律，开展了双作用热声发动机核心单元热声转换的研究。从阻抗的角度出发，全面深入地考查了电容、动质量、平均压力和工作频率等参数对发动机和电机工作性能的影响，获得了重要的规律性结论。通过参数的优化选择，获得了最大的净声功1106W，最高的热声效率36%，考查了环路发动机在大功率下的工作性能，并为今后单元实验台和双作用发电系统的设计与研究提供指导和帮助。开展了双作用系统中三台发动机性能的对比实验，揭示了环路系统中不一致性产生的原因以及改善方法，为进一步提高环路双作用系统的整机性能打下了良好的基础。 |
| 源URL | [http://202.127.2.71:8080/handle/181331/10942]  |
| 专题 | 上海技术物理研究所_全文传递文献库_qwcd 学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | . 新型双作用行波热声发动机的研究[D]. 中国科学院研究生院. 2014. |
入库方式： OAI收割
来源：上海技术物理研究所
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