非均勻聲介質(zhì)中的聲傳播及演化規(guī)律研究.pdf

1、相對(duì)于其它種類的熱功轉(zhuǎn)換裝置與技術(shù),熱聲熱機(jī)是一個(gè)新興的、有待于進(jìn)一步研究的領(lǐng)域。熱聲熱機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)在于構(gòu)造相對(duì)簡單、可靠性高、運(yùn)行壽命長,環(huán)保無污染,可以實(shí)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(jìn)和提高,線性熱聲學(xué)理論研究也日臻完善。然而,在熱聲學(xué)基礎(chǔ)研究中仍有一些重要的科學(xué)問題沒有得到充分的研究,造成對(duì)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(shí)際系統(tǒng)

2、的非線性過程或效應(yīng)的理解不足;而這種認(rèn)識(shí)上局限性也制約了建造者采取恰當(dāng)措施進(jìn)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(jī)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(diǎn)針對(duì)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(gè)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(xué)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(xiàn)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(shí)驗(yàn)技術(shù)(復(fù)密度、復(fù)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(dǎo)波動(dòng)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(fù)密度及復(fù)壓縮率的數(shù)學(xué)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(duì)粘性弛豫的合理修正(實(shí)際流體的粘性弛豫是不可避免的)可以增強(qiáng)熱聲效應(yīng);從聲傳播規(guī)律的角度分析了主動(dòng)控制的技術(shù)原理以及它對(duì)斯特林裝置的實(shí)用價(jià)值;對(duì)復(fù)合吸聲系統(tǒng)進(jìn)行了無量綱參數(shù)的

4、計(jì)算,通過等效網(wǎng)絡(luò)圖闡明了主動(dòng)控制的工作機(jī)制。
　　為了全面地揭示主導(dǎo)熱聲“起振”的物理機(jī)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(dòng)力學(xué)時(shí)域方法。在頻域方法中,給出了熱聲組件對(duì)應(yīng)的二端口Y參數(shù);采用負(fù)阻模型和反饋模型分別描述了駐波和行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)并給出了對(duì)應(yīng)的二端口網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?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?fù)鋱D論證了駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)起振于負(fù)阻狀態(tài)、熱聲—斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)

5、存在高頻模態(tài)。該“頻域”方法實(shí)現(xiàn)了以解析方式反映發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)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(shí)間上的同步性”這一實(shí)驗(yàn)觀測的基礎(chǔ)上,作者使用分離變量法這一樸素的科學(xué)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(diǎn)多模態(tài)振動(dòng)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(shí)域理論。從動(dòng)力學(xué)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(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)分岔類型;結(jié)合多尺度擾

6、動(dòng)方法討論了“極限環(huán)”軌道穩(wěn)定性的科學(xué)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(dòng)力學(xué)方程組并給出了方程系數(shù)的量化方法,借助Maccari的工作驗(yàn)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(yù)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(duì)“非均勻聲介質(zhì)中有限振幅聲場”計(jì)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(xué)方法在處理有限振幅聲場時(shí)面臨的最大問題是表征非線性聲場的兩種數(shù)學(xué)形式(時(shí)域量與頻域量)之間不存在簡單的對(duì)應(yīng)規(guī)則,從而造成對(duì)控制方程的量綱分析(偏導(dǎo)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(yùn)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(bǔ)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(duì)該模型內(nèi)在的局限性進(jìn)行了分析。
　　本論文在熱聲學(xué)