小型行波熱聲熱機系統(tǒng)的研究.pdf

1、熱聲發(fā)動機驅動的脈沖管制冷機是一種完全沒有運動部件的新型制冷機，由于其具有結構簡單、運行可靠、使用壽命長、無污染等諸多優(yōu)點，倍受學術界和工業(yè)界的關注。近年來，隨著航天工業(yè)和國防工業(yè)對小型低溫制冷機需求的日益增長，如何實現(xiàn)熱聲驅動器的小型化就成為迫切需要解決的問題。為了有效提高小型斯特林型熱聲發(fā)動機波動壓力幅值、降低熱聲驅動脈沖管制冷機的制冷溫度，本文針對以下幾個方面開展了理論和實驗研究工作：
　　 ⑴從線性熱聲理論入手，定性分析

2、了回熱器流壓相位差以及阻抗對聲功沿程變化率的影響，確立了相位和阻抗聯(lián)合調節(jié)的設計原則。
　　 ⑵小型斯特林熱聲發(fā)動機的數(shù)值模擬和計算分析。建立小型高頻斯特林型熱聲發(fā)動機的線性理論模型，在此基礎上，對斯特林型熱聲發(fā)動機內的聲場分布，包括波動壓力、體積流率、流壓相位差、溫度以及聲功流等的分布進行了數(shù)值模擬，對此類發(fā)動機內的聲場分布有了更為深入的認識；分析了系統(tǒng)各元件徑向尺寸對于系統(tǒng)諧振頻率以及性能的影響，計算結果表明，諧振管內徑的變

3、化對于小型斯特林熱聲發(fā)動機的諧振頻率以及性能具有十分重要的影響，適當減小諧振管的徑向尺寸，能夠有效降低整機的諧振頻率，減小回熱器處由于速度過大造成的粘性損失，提高系統(tǒng)波動壓力幅值，這對于熱聲斯特林發(fā)動機的小型化具有重要的指導意義；從阻抗和相位的角度分析了運行參數(shù)包括加熱量和充氣壓力對于系統(tǒng)性能的影響，指出在設計過程中，運行參數(shù)必須結合結構參數(shù)進行綜合考慮才能夠在回熱器處獲得最佳的阻抗和相位差，從而實現(xiàn)系統(tǒng)性能的最優(yōu)。
　　 ⑶在

4、計算及試驗的基礎上，設計并建立了一臺氦氣工質的小型斯特林熱聲發(fā)動機，總體尺寸為690×260mm，總重量不超過5Kg。通過回熱器優(yōu)化、諧振管管徑調節(jié)、改變運行參數(shù)等實驗手段，當充氣壓力為2.5MPa，加熱量為700W的時候可以獲得2.71Bar的最大壓力峰峰值，壓比達到了1.115，此時系統(tǒng)的諧振頻率為282Hz，成功突破了高頻小波動壓力幅值的瓶頸。
　　 ⑷建立了一個簡單的熱聲發(fā)動機--負載的集總網(wǎng)絡模型，分析結果表明，熱聲發(fā)

5、動機與負載之間是相互影響，相互制約的，負載的加入，會引起熱聲發(fā)動機加熱器的溫度和壓力波動幅值的變化，這種變化反過來又會對負載的性能產(chǎn)生影響；分析了發(fā)動機和負載之間的連接管在系統(tǒng)耦合中的重要作用，初步總結了熱聲發(fā)動機與負載的耦合關系；對慣性管的相位以及阻抗的調節(jié)功能進行了定性的分析，強調了慣性管對阻抗的調節(jié)能力。
　　 ⑸基于線性熱聲理論，本文首次將斯特林熱聲發(fā)動機和慣性管調相的脈沖管制冷機作為一個整體進行數(shù)值模擬，重點模擬分析了

6、蓄冷器的長度、脈沖管的長度和內徑、制冷機換熱器的目數(shù)和長度、制冷機慣性管的長度和內徑以及連接管的長度和內徑對于制冷機性能的影響。同時也分析了熱聲發(fā)動機的結構參數(shù)以及運行參數(shù)的變化對制冷機的影響。
　　 ⑹根據(jù)模擬計算結果，對熱聲驅動脈沖管制冷機進行了實驗優(yōu)化。重點優(yōu)化了慣性管的長度和內徑以及連接管的長度，同時也對熱聲發(fā)動機的諧振管以及工作壓力進行了優(yōu)化。當發(fā)動機諧振管內徑為20mm，回熱器目數(shù)為200，制冷機連接管長度為350m

7、m，慣性管的內徑為2mm，長度為200mm的時候，在以2.5Mpa的氦氣為工質，加熱功率為600W的情況下，得到了147.3K的最低制冷溫度。在實驗中還發(fā)現(xiàn)，制冷機與發(fā)動機之間安裝一個球閥對熱聲驅動脈沖管制冷機的起振溫度具有重要影響，關閉雙向進氣閥可顯著降低熱聲系統(tǒng)的起振溫度。采取在球閥氣閥關閉狀態(tài)啟動熱聲發(fā)動機加熱器，系統(tǒng)起振后再緩慢打開球閥的操作方式，既不影響脈沖管制冷機的正常降溫，又可實現(xiàn)較低的起振溫度，有利于利用低品位熱源作為驅