【摘 要】
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行波热声发动机是一种能量转换装置,具有结构简单、无运动部件、可靠性高且其运行工质为惰性气体。近几十年来,随着热声热机技术受到了人们的广泛关注,热声发动机也取得了许多有建设性的进展,在热声制冷、热声发电等应用方面上也取得了较多阶段性成果。但是由于热声发动机在实用化方面仍未十分成熟,与传统的内燃机相比还具有较大差距。多级行波热声热机由于其本征效率高、起振温度较低且能流密度大的优点,已成为了目前热声热机
【基金项目】
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广东省自然基金面上项目（2019A1515010460）和东莞理工学院2018年科技产业创新服务专项行动（code:2018010）；
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行波热声发动机是一种能量转换装置,具有结构简单、无运动部件、可靠性高且其运行工质为惰性气体。近几十年来,随着热声热机技术受到了人们的广泛关注,热声发动机也取得了许多有建设性的进展,在热声制冷、热声发电等应用方面上也取得了较多阶段性成果。但是由于热声发动机在实用化方面仍未十分成熟,与传统的内燃机相比还具有较大差距。多级行波热声热机由于其本征效率高、起振温度较低且能流密度大的优点,已成为了目前热声热机的热点课题。为了更好的去探究双级行波热声发动机性能的优化方法,本文将采用模拟与实验相结合,从热声基本理论出发,基于Delta EC热声模拟仿真软件构建数值模型。探究热声发动机回热器与谐振管对热声转换的影响。主要研究内容如下:（1）由于回热器中温度变化梯度较大,气体工质的粘性系数随着温度升高变大,在回热器高温段和中低温段按梯度分层放置小目数和大目数的丝网,有效降低回热器高温段处的粘性损失,加强热声转换能量,从而获得更佳的声功输出。在不改变其余条件下,单层回热器中所产生的能量约为501.7W,而将回热器分为多层回热器处丝网目数从冷端到热端的梯度为140-105目时,回热器产生的能量约为530.32W,热声发动机的性能较单层时增加约5.7%。（2）根据不同材料导热性能的不同,合理采用不锈钢-铜的填充材料的组合,能够增强工质在回热器间的换热能力。通过模拟结果可知填充适当的铜丝网能够有效地提高回热器所产生的能量。在回热器处添加2.5cm的铜丝网时,回热器内产生的能量最大为609.86W,与单种材料丝网结构相比提高约15%,但是过长的铜丝网会使得部分热量不经过热声转换而传至冷端。但是总体上来说,在回热器处添加铜丝网能够有效提高双级行波热声发动机的热声转换能力。（3）根据线性热声理论,通过改变谐振管截面积能够有效调节双级行波热声发动机的声场结构。通过模拟结果发现,基于谐振管处原本的压力振幅与体积流率及其相位,将其中10cm谐振管内直径长度在位置1处增大至8cm时,回热器处的相位从-41.7°变为-36.2°,在位置2处减小至3cm时,回热器处的相位从-41.6°调节至-33.9°。使其相位更接近于行波状态。合理调节谐振管的截面积大小,调节其相位变化,进而实现其双级热声发动机的回热器在接近行波的相位状态下工作。（4）搭建双级行波热声发动机实验台,在不同的热端温度的条件下对系统的频率、声功等特性进行实验研究,发现不同热端温度对系统频率影响变化不大,但随着换热器温差上升,负载提取的声功也越多。与数值模拟数据结果进行对比后发现较为吻合,说明该数值模型能够有效地模拟双级行波热声实验台的运行特性。
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