熱聲發(fā)動機的回熱器特性研究.pdf

1、熱聲發(fā)動機是一種利用熱聲效應進行工作的新型動力機械。整機沒有機械運動部件，可采用熱能驅(qū)動，常用工質(zhì)為惰性氣體，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、環(huán)境友好等突出優(yōu)點。由其驅(qū)動的制冷、發(fā)電等系統(tǒng)具有廣闊的應用前景。
　　 回熱器(或板疊)是熱聲發(fā)動機中實現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)化的場所，因此提高回熱器性能始終是研究者不懈追求的目標?？v觀熱聲發(fā)展歷史，每一次熱聲技術(shù)的飛躍都伴隨著研究者對回熱器不斷深入的認識和革新。本文主要圍繞行波和駐波熱聲發(fā)動機中的回熱器(板

2、疊)特性開展理論和實驗研究，取得的主要進展如下：
　　 1、行波熱聲發(fā)動機中多段式回熱器的概念以及CFD模擬優(yōu)化。
　　 針對現(xiàn)有斯特林熱聲發(fā)動機系統(tǒng)存在的回熱器熱損失和動力損失，結(jié)合工質(zhì)物性隨溫度非線性變化的特點，本文提出多段式回熱器的概念。采用CFD計算方法以及DeltaE軟件對現(xiàn)有的熱聲斯特林發(fā)動機進行建模，模擬了以氮氣為工質(zhì)、充氣壓力為2MPa和加熱器溫度為766K時的壓力振幅、速度振幅以及溫度的系統(tǒng)分布。在CF

3、D模擬中，除回熱器采用層流模型外，整機采用湍流模型。通過上述兩種方法得到的計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)：(1)CFD和DeltaE的計算結(jié)果均表明，在相同的條件下，本文提出的多段式回熱發(fā)動機的性能均高于原型發(fā)動機。(2)CFD計算得到原斯特林熱聲熱機在特定位置處(聲容、諧振管入口、錐形諧振管入口)的壓力振幅結(jié)果較線性熱聲軟件DeltaE獲得的結(jié)果更加接近實驗值。(3)CFD計算得到起振后回熱器的軸向溫度呈非線性分布，DeltaE的結(jié)果為線

4、性分布，CFD的結(jié)果與實驗測量到的溫度分布情況更加吻合，說明CFD方法對熱聲系統(tǒng)的溫度分布具有更好的預測作用。同時，CFD計算得到多段式回熱器軸向溫度分布較原斯特林回熱器更趨于線性分布。說明多段式回熱器有助于減小回熱器內(nèi)部直流損失。本文還對CFD仿真得到的整機模型三通處的流場進行分析，發(fā)現(xiàn)該處流場由于壓力和速度的劇烈變化造成一個周期內(nèi)流態(tài)出現(xiàn)了邊界層分離、漩渦等復雜流態(tài)，造成較大能量損失。這為進一步提高熱聲發(fā)動機性能提供了改進方向。

5、r>　　 2、駐波熱聲發(fā)動機絲網(wǎng)板疊的輸出特性和起消振時序的實驗研究。
　　 本文利用DeltaE設計了一臺小型絲網(wǎng)型駐波熱聲發(fā)動機，搭建了實驗臺。初步實驗表明，采用絲網(wǎng)板疊可獲得較好的性能，18目絲網(wǎng)時熱聲發(fā)動機以氮氣為工質(zhì)在充氣壓力為2.2MPa可獲得0.2017MPa的壓力振幅。在此基礎(chǔ)上，開展了不同板疊參數(shù)下整機輸出特性的實驗研究，結(jié)果表明一定參數(shù)范圍內(nèi)的絲網(wǎng)板疊，對應的最優(yōu)工作區(qū)間不同：低充氣壓力下，低目數(shù)的絲網(wǎng)對應