駐波熱聲系統(tǒng)的振蕩機理和熱力學(xué)優(yōu)化.pdf

1、熱聲熱機是能實現(xiàn)熱能與聲能相互轉(zhuǎn)換的一種新型能量裝置，熱能轉(zhuǎn)化為聲能是熱聲發(fā)動機，聲能驅(qū)動熱能泵送是熱聲制冷機，熱聲發(fā)動機與熱聲制冷機的耦合成為完全無運動部件的制冷機，因此研究熱聲發(fā)動機的熱功轉(zhuǎn)換機理具有重要意義。熱聲發(fā)動機從初始狀態(tài)到正常運行的過程是起振過程，也是一個建立自激振蕩的過程，對熱聲自激振蕩機理的研究有助于進一步了解熱聲轉(zhuǎn)換實質(zhì)。本文在全面了解和總結(jié)熱聲理論的基礎(chǔ)上，分別從網(wǎng)絡(luò)理論、動力學(xué)和熱力學(xué)幾個角度分析了駐波熱聲發(fā)動機

2、的自激振蕩機理，在實驗的基礎(chǔ)上分析了充氣壓力對維持自激振蕩的閥值溫度的影響。
　　本文的工作主要由以下幾個部分組成：
　　根據(jù)熱聲分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)模型，推導(dǎo)了各熱聲組件的網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納矩陣，建立了各熱聲組件的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及整機的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。將整機網(wǎng)絡(luò)比擬成電網(wǎng)絡(luò)，利用哈密特式計算了輸入整機網(wǎng)絡(luò)的功流，網(wǎng)絡(luò)功流平衡對應(yīng)自激振蕩，根據(jù)這一判據(jù)利用閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)拆環(huán)原理將整機網(wǎng)絡(luò)拆成二端口開環(huán)網(wǎng)絡(luò)，在角頻率虛部為零的情況下計算了駐波熱聲發(fā)動機的閥

3、值溫度和工作頻率，計算值與實驗值吻合良好。
　　從動力學(xué)的角度考查了熱聲自激振蕩系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)熱聲系統(tǒng)的基本方程組推導(dǎo)了一階波動量下的熱聲自激振蕩系統(tǒng)的時域自治方程組，計算了熱聲發(fā)動機在建立自激振蕩過程中的定態(tài)點，利用Lyapunov穩(wěn)定性理論考查了定態(tài)的穩(wěn)定性，利用混沌動力學(xué)的相關(guān)概念描述了建立自激振蕩的過程中熱聲系統(tǒng)的穩(wěn)定性隨時間演變的動態(tài)行為。
　　降低熱聲發(fā)動機系統(tǒng)的能量損耗有利于降低維持自激振蕩的閥值溫度，提高

4、對低品位能量的利用能力。對各熱聲組件的分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)傳輸矩陣進行了辛對稱分析，在網(wǎng)絡(luò)傳輸矩陣辛對稱的基礎(chǔ)上，利用瑞利商式計算了各熱聲組件的最小本征阻抗，最小本征阻抗對應(yīng)最小網(wǎng)絡(luò)損耗，即最小能量損耗，給出了在熱聲系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計中降低能量損耗能達到的最低限度，并考查了運行工況對最小網(wǎng)絡(luò)損耗的影響。
　　從熱力學(xué)的角度考查了熱聲自激振蕩在熱力學(xué)空間中的體現(xiàn)。熱力學(xué)循環(huán)是一種自激振蕩，根據(jù)流相工質(zhì)的振蕩特性，建立了不可逆駐波熱聲發(fā)動機微熱力

5、學(xué)循環(huán)以及不可逆駐波熱聲制冷機微熱力學(xué)循環(huán)的理論模型，該模型在p-V相圖上是一個橢圓，推導(dǎo)了循環(huán)聲功率和熱效率以及循環(huán)制冷率和制冷系數(shù)，并利用有限時間熱力學(xué)的方法以熱力學(xué)第一性能、熱力學(xué)第二定律性能、生態(tài)學(xué)性能為優(yōu)化目標(biāo)考查了不可逆熱聲發(fā)動機微熱力學(xué)循環(huán)以及不可逆熱聲制冷機微熱力學(xué)循環(huán)的性能。
　　最后，在實驗室現(xiàn)有實驗裝置的基礎(chǔ)上進行了實驗，觀察了駐波熱聲發(fā)動機建立自激振蕩的過程，考查了充氣壓力對閥值溫度的影響，并與計算值進行了