非均勻聲介質(zhì)中的聲傳播及演化規(guī)律研究.pdf

1、相對于其它種類的熱功轉(zhuǎn)換裝置與技術(shù),熱聲熱機是一個新興的、有待于進一步研究的領(lǐng)域。熱聲熱機的主要優(yōu)勢在于構(gòu)造相對簡單、可靠性高、運行壽命長,環(huán)保無污染,可以實現(xiàn)小型輕量化,能利用較低品位的熱源。在國內(nèi)外研究者的共同努力下,幾十年來裝置的結(jié)構(gòu)型式及性能參數(shù)不斷得到改進和提高,線性熱聲學理論研究也日臻完善。然而,在熱聲學基礎(chǔ)研究中仍有一些重要的科學問題沒有得到充分的研究,造成對熱聲起振、模態(tài)演化、聲流、行波環(huán)流、高次諧波等一些存在于實際系統(tǒng)

2、的非線性過程或效應(yīng)的理解不足;而這種認識上局限性也制約了建造者采取恰當措施進一步提高裝置的體積功率密度、工作穩(wěn)定性及效率。有鑒于此,作者以熱聲熱機為應(yīng)用背景,圍繞“非均勻聲介質(zhì)中聲場的傳播及演化規(guī)律”主題,重點針對如何描述“熱聲穩(wěn)定性”及“非均勻介質(zhì)有限振幅聲場”這兩個理論問題以及相關(guān)的工程問題而展開。
　　作者遵循一條由簡入繁、先線性后非線性、科學探討與工程思考相結(jié)合的技術(shù)路線,首先從相關(guān)文獻中總結(jié)、提煉了管內(nèi)小振幅聲場的傳播規(guī)

3、律以及熱聲工程中涉及到的多孔介質(zhì)實驗技術(shù)(復密度、復壓縮率、孔隙率、流阻、特征阻抗與波數(shù)測量)。論文給出了推導波動方程的一般方法;闡釋了在線性條件下,“熱聲效應(yīng)”并未改變復密度及復壓縮率的數(shù)學形式;分析了粘性弛豫與熱弛豫在不同熱聲組件中所起的不同作用,并指出熱弛豫對粘性弛豫的合理修正(實際流體的粘性弛豫是不可避免的)可以增強熱聲效應(yīng);從聲傳播規(guī)律的角度分析了主動控制的技術(shù)原理以及它對斯特林裝置的實用價值;對復合吸聲系統(tǒng)進行了無量綱參數(shù)的

4、計算,通過等效網(wǎng)絡(luò)圖闡明了主動控制的工作機制。
　　為了全面地揭示主導熱聲“起振”的物理機制,作者原創(chuàng)性的提出了“熱聲振蕩器”頻域方法以及解釋熱聲多模態(tài)共存及演化現(xiàn)象的動力學時域方法。在頻域方法中,給出了熱聲組件對應(yīng)的二端口Y參數(shù);采用負阻模型和反饋模型分別描述了駐波和行波熱聲發(fā)動機并給出了對應(yīng)的二端口網(wǎng)絡(luò)拓撲;應(yīng)用Nyquist失穩(wěn)判據(jù)獲得了熱聲振蕩器的起振條件;還通過拓撲圖論證了駐波熱聲發(fā)動機起振于負阻狀態(tài)、熱聲—斯特林發(fā)動機

5、存在高頻模態(tài)。該“頻域”方法實現(xiàn)了以解析方式反映發(fā)動機運行參數(shù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對起振模態(tài)、起振溫度的影響。另一方面,在“聲場中各位置處振蕩模態(tài)的演化特征具有時間上的同步性”這一實驗觀測的基礎(chǔ)上,作者使用分離變量法這一樸素的科學思想將非均勻介質(zhì)中熱聲多模態(tài)起振問題轉(zhuǎn)化成質(zhì)點多模態(tài)振動的初值問題,由此發(fā)展了一種考察熱聲多模態(tài)共存及演化現(xiàn)象的時域理論。從動力學視角明確了熱聲振蕩器中多模態(tài)效應(yīng)(共存、壓制、演化等)所對應(yīng)的動力學分岔類型;結(jié)合多尺度擾

6、動方法討論了“極限環(huán)”軌道穩(wěn)定性的科學內(nèi)涵;以描述自激振蕩過程的Van der Pol方程為基礎(chǔ)“猜想”了兩模態(tài)耦合的動力學方程組并給出了方程系數(shù)的量化方法,借助Maccari的工作驗證了模型的描述能力。此外,基于熱聲起振表現(xiàn)出的自激振蕩特征,作者預測受迫自激振蕩具有的“頻率俘獲”同步振蕩效應(yīng)將為陣列式的高功率熱聲振蕩器的研發(fā)提供理論前提。
　　此外,作者還從工程應(yīng)用的角度提出了對“非均勻聲介質(zhì)中有限振幅聲場”計算模型的要求,指出

7、基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的常規(guī)聲學方法在處理有限振幅聲場時面臨的最大問題是表征非線性聲場的兩種數(shù)學形式(時域量與頻域量)之間不存在簡單的對應(yīng)規(guī)則,從而造成對控制方程的量綱分析(偏導階數(shù))無法與傅立葉分析(諧波)相統(tǒng)一。為此作者轉(zhuǎn)換了研究思路,運用基于離散假設(shè)的“格子方法”嘗試模擬了熱聲裝置(典型的非均勻聲介質(zhì))。在D2Q9模型中補充定義了多體碰撞規(guī)則,模擬了不同溫度參數(shù)下的熱聲起振過程并對該模型內(nèi)在的局限性進行了分析。
　　本論文在熱聲學