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高频级联型热声系统研究

作　者: 胡忠军
导　师: 李青
学　校: 中国科学院研究生院（理化技术研究所）
专　业: 制冷及低温工程
关键词: 级联型热声发动机行波相位起振温度声阻抗
分类号: TK123
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 196次
引　用: 4次
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内容摘要

驻波型热声热机因内在热力循环的不可逆性、行波型热声热机因低声阻抗带来严重的粘性损失,斯特林混合型热声热机存在Gedeon声流损失,这些都限制了热声转换效率的提高。为消除Gedeon声流损失,实现在高效率水平上进一步增大输出功率,级联型热声热机成为热声热机研究的最新突破。另外,低频热声热机的大尺度和结构的紧凑性也限制了热声热机的实用化和应用范围。因此,本文以实现级联型热声热机的小型化为目的,从对声场的调制和控制出发,结合热声网络理论、系统论和控制论的观点,展开了对高频级联型热声系统的复杂动态问题的理论探索、原理性样机的研制和实验研究工作。本文的创造性工作主要体现在以下几个方面:1、多级热声单元的存在和交互影响增加了研究级联型热声热机问题的复杂性,增加了在认识机理、计算建模和控制调节等方面的难度,这表明研究复杂热声系统需要突破传统线性热声理论。为此,根据热动力学理论和发展的热声网络建模的研究方法,对高频级联型热声系统的工作机理、声场分布、分布参数模型进行了理论研究、数值计算和实验研究,进一步丰富和发展了热声网络理论。2、调制回热器的行波成分和高阻抗特征是实现级联型热声系统的关键,对该局部高阻抗行波区的定位和延长是高频级联型热声系统必须解决的难题。本文深化了对热声网络理论的理解,从对全系统的网络分析出发,揭示了回热器当地声阻抗和外部声阻抗对高阻抗行波区位置和长度的调节机理,并进行了实验对比研究,通过改变回热器当地声容抗和外部谐振器回路的声感抗和声阻等都能够有效调制回热器内的行波相位,发展了回热器调相的学术思想。3、驻波级和行波级之间的各种运行参数的耦合问题是级联型热声系统特有的复杂问题,本文引入了综合实验的正交实验和分析的方法,对各级间加热功率在系统不同充气压力下的耦合效应进行有效的实验研究,突破了对复杂热声系统的传统实验方法,提取了级间加热功率的特征因子,得到了级间理想功率配比。4、将控制论观点拓展到热声网络理论和分析方法,结合级联型热声热机内的声波动和传播规律,建立了级联型热声热机的控制系统模型,大大提高了计算起振温度的准确性。5、运用自组织理论,对实验观测到的二次起振和热声不稳定现象进行了初步分析,并通过实验辨识出关键影响参数。6、对冰箱温区的高功率密度(20W/cm2)和COP(1.43)的串列式热声制冷机进行了初步探索性设计和实验,解决了通过声场组织控制系统运行模态和调制多个行波区的问题。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
主要符号表  9-16
第1章绪论  16-34
  1.1 课题背景和研究意义  16-17
  1.2 热声学的发展历史和研究进展  17-33
    1.2.1 热声效应  17-18
    1.2.2 热声学的理论发展  18-20
    1.2.3 实验热声学的研究进展  20-29
    1.2.4 热声研究的热点问题和研究方向  29-32
    1.2.5 本文拟要解决的研究问题  32-33
  1.3 本文主要工作  33-34
第2章热声研究的热动力学理论和网络分析方法  34-55
  2.1 前言  34
  2.2 热动力学理论  34-41
    2.2.1 热声热力学微循环  35-36
    2.2.2 熵波和声波耦合  36-39
    2.2.3 波动学基础  39-41
  2.3 热声网络分析方法  41-54
    2.3.1 回热器的热声效应  42-48
    2.3.2 热声元件的分布参数网络模型  48-51
    2.3.3 热声热机系统的声特性  51-54
  2.4 本章小结  54-55
第3章高频级联型热声发动机的设计  55-89
  3.1 前言  55-56
  3.2 级联型热声发动机的工作机理  56-62
    3.2.1 谐振器与声场特征  56-57
    3.2.2 哑铃形谐振器的谐振频率和声场分布  57-62
  3.3 设计准则  62-66
    3.3.1 级数问题  62-64
    3.3.2 谐振器形式  64-65
    3.3.3 行波区调节手段  65-66
  3.4 方案比较和优化  66-76
    3.4.1 设计目标与出发点  66-67
    3.4.2 方案对比  67-71
    3.4.3 系统优化  71-76
  3.5 级联型热声发动机硬件设计  76-88
    3.5.1 气体工质的选择  76-80
    3.5.2 热声堆和回热器  80-81
    3.5.3 换热器  81-85
    3.5.4 热缓冲管  85-86
    3.5.5 谐振管和谐振腔  86-87
    3.5.6 热声压力容器设计  87-88
  3.6 本章小结  88-89
第4章高频级联型热声发动机的实验研究  89-142
  4.1 前言  89
  4.2 实验装置与测量系统  89-96
    4.2.1 实验装置简介  89-91
    4.2.2 测量系统  91-93
    4.2.3 速度场反演  93-96
  4.3 实验方案  96-123
    4.3.1 实验步骤  96-98
    4.3.2 基本性能实验  98-108
    4.3.3 正交实验  108-115
    4.3.4 回热器调相实验  115-123
  4.4 系统的起振特征与分析  123-131
    4.4.1 基本起振现象与分析  123-125
    4.4.2 二次起振现象与分析  125-130
    4.4.3 热声不稳定性  130-131
  4.5 控制系统模型与分析  131-141
    4.5.1 自激振荡与系统的稳定性分析  131-136
    4.5.2 抽象通道内的声传播模型  136-137
    4.5.3 控制系统模型与分析  137-141
  4.6 本章小结  141-142
第5章串列式热驱热声制冷机的设计和实验  142-162
  5.1 前言  142
  5.2 热驱热声制冷的研究进展  142-144
  5.3 串列式TADTAR 及其工作原理  144-146
  5.4 方案比较  146-155
    5.4.1 设计目标  146
    5.4.2 以级联发动机驱动的几种热声制冷机方案  146-154
    5.4.3 串列式热声系统的拓展形式  154-155
  5.5 热驱热声制冷机的初步实验  155-161
    5.5.1 实验装置与测量系统  155-156
    5.5.2 制冷机性能分析  156-158
    5.5.3 制冷机对发动机性能的影响  158-159
    5.5.4 制冷效果不明显的原因分析  159-160
    5.5.5 进一步的工作  160-161
  5.6 本章小结  161-162
第6章全文总结和工作展望  162-165
参考文献  165-173
攻读博士学位期间所发表的学术论文  173-174
致谢  174-175

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