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热声制冷机系统是一种利用板叠内部产生的热声效应,将声能转换为热能的新型装置。与传统制冷机相比,它具有整机无运动摩擦件,保养维修方便;工作时的振动及噪音远低于传统制冷机;内部流体工质无污染等优点,已逐渐成为国内外相关领域的重点研究对象。 本文首先介绍了热声理论与热声制冷技术的发展历程及研究现状,较为详细的阐明了热声制冷的基本原理与相关理论;设计了驻波型热声制冷机系统模型,利用线性热声理论,对驻波场中平行结构板叠内的能流进行了分析,建立了驻波型热声制冷机内平行结构板叠在绝热状态下冷热端温差的计算模型,并研究了系统中的板叠其参数(结构、位置、热物性)在一定的取值范围对温差的影响;同时分析了平行结构板叠两端施加负载时热声制冷机的性能系数COP以及系统中板叠参数在取值范围内对COP值的影响;最后通过试验对驻波型热声制冷机系统内平行结构板叠在绝热状态下温差模型的适用性进行了验证,证明了模型对系统中平行结构板叠绝热状态下两端温差描述的正确性。为平行结构板叠结构的优化和深入理解板叠参数对板叠内热声效应的影响,以及今后对热声系统中复杂板叠的理论分析和驻波型热声制冷机性能优化提供了思路和方法。全文的主要研究内容如下: (1)以平行结构板叠参数对驻波型热声制冷机热声性能的影响为主要研究目标,根据经典的线性热声理论,分析了平行结构板叠中的一阶速度波动、温度波动、二阶能流以及温度梯度等几个重要变量之间的关系,并建立了Swift提出的短板边界理论中平行结构板叠内部的焓流以及声功流的数学表达式。 (2)讨论了热声制冷机系统设计中常见的驱动压比数、流体工质类型、工作频率以及平行结构板叠参数一般的取值范围,设计了驻波型热声制冷机系统模型,并根据绝热条件下的热平衡方程,建立了以一阶速度变量、一阶温度变量表达的该系统内平行结构板叠的冷热端温差计算模型,利用温差模型研究分析了此系统中板叠绝热状态下各个参数在一定的选取范围内对其温差的影响规律。此外,还通过建立的驻波型热声制冷机系统性能系数COP的计算模型分析了系统中平行结构板叠两端施加负载的状态下,其参数在选取范围内对COP值的影响规律并预测设计的制冷机模型的制冷性能。 (3)最后,根据设计的驻波型热声制冷机模型,通过制作相应的驻波管、螺旋结构板叠以及改进扬声器,搭建了热声试验系统,通过试验,研究了模型的适用性。