高频行波热声发动机的直流抑制与性能优化研究

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热声技术是一种新型的能源转换技术,其利用热声效应,实现声功和热能之间的转换。利用热声效应,热声发动机可以将热能转变为机械能,其具有结构简单、无运动部件,可靠性高、使用寿命长、无污染等优点。较一般的热声发动机,高频行波热声发动机更具有小型化、适用场合较多、效率高等优点,是近些年研究的热点。然而行波热声发动机中环路结构可能引起Gedeon直流损失已经是一种共识,Gedeon直流的存在会严重影响发动机的热声转换效率。另外高频带来的损耗较大,使得其比低频情况下更难获得高的压力幅值,这也是目前高频行波热声发动机研究的难点。针对以上这些问题,本文主要开展了高频行波热声发动机的研究工作,主要包括以下几个方面:  1、分析了喷射泵直流抑制的理论基础,通过Fluent软件对喷射泵的局部损失进行模拟计算。分析了入口雷诺数、交变流动振荡压力的幅值和相位差对阻力系数的影响。以大雷诺数下交变流动的阻力系数ξRemax作为交变流动阻力系数的研究对象:随压力振荡幅值的增大,ξRemax是逐渐增大的;随相位差的增大,ξRemax变化很小,几乎不变;因此认为入口雷诺数和振荡压力振幅是影响交变流动阻力系数的重要因素,而相位差的影响很小,可以忽略不计。这些都为喷射泵的设计计算提供了一定的参考。  2、热声系统的高温段的漏热也是影响热声系统运行的重要因素。以热声系统的高温段的漏热为研究对象,对热声系统高温段的漏热进行理论分析,并基于fluent中S2S模型,对模型进行了稳态数值模拟,得到了辐射散热量、导热量、外表面的热流量随加热温度的变化;对防护结构进行优化,提出防护结构2,对比分析了两种热防护结构的防漏热效果。结果表明,真空防护结构会有效的减少系统的漏热,优化后的结构2较结构1更能有效的减少系统漏热。  3、回热器是热声效应发生的场所。以回热器的性能分析为出发点,利用Delta E软件模拟分析了不同目数的回热器,系统的压力振幅、回热器两端的温差以及声功增益随回热器长度的变化。根据模拟结果,将较大的压力振幅和声功增益,较小的回热器两端的温差作为理想回热器的原则,选择200目和220目的丝网回热器进行下一步的实验。  4、开展了高频行波热声发动机的实验研究:搭建了250HZ的高频行波热声发动机系统,开展了弹性模直流抑制实验,比较了有无弹性模的热声系统的热声转换效率;开展了回热器性能实验,比较了200目和220目丝网回热器的性能,实验结果与模拟结果一致。
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