热声振荡自组织行为的失稳特性与非线性反馈调控机理研究

本项目针对复杂热声自激振荡自组织行为以及其造成的众多非线性热物理问题，从理论、数值模拟和实验三方面来揭示热声自激振荡过程的复杂物理本质和调控机制。理论方面：建立多维度、非稳态、变物性、流固耦合的数理模型，考察不同参数条件下热声系统内温度场、压力场、速度场和浓度场等分布规律，归纳热声自激振荡"失稳"阈值关系式，分析热声系统非线性正、负反馈机制和边界层内"涨落"效应，揭示复杂非线性效应对热声热机的影响规律和作用机理；实验方面：研究振幅衰减和延迟效应对温度测试的影响规律，分析复杂参变量对热声自激振荡"失稳"阈值与非线性正、负反馈机制的影响规律，制定相应的调控措施；通过理论与实验相结合，进一步改进和完善数理模型，最终探明热声自激振荡的基本规律和影响关系，为进一步提高热声系统的转换效率和解决工程应用弊端，提供可靠的理论依据和关键技术支撑。该项目不仅具有较广的基础研究应用背景，而且具有重要的学术价值。

本项目针对复杂热声自激振荡自组织行为以及其造成的众多非线性热物理问题，从理论、数值模拟和实验三方面来揭示热声自激振荡过程的复杂物理本质和调控机制。理论分析方面：建立多维度、非稳态、流固耦合的数理模型，详细考察热声自激振荡过程系统内温度和压力等参数的变化对热声自激振荡的影响规律，数值验证了热声滞后回路的存在。对于热声制冷机，提出并建立了热声制冷机的动网格处理模型，从而彻底解决了现有研究中的质量不守恒问题，有助于深入刻画制冷机的实际工作状态。另外，深入分析热声制冷机模型构建的合理性，探明了局部与整体模型构建的理论基础，有助于缩短热声制冷机仿真研究的周期。数值研究方面：通过监测多种热声系统的自激振荡过程中主要热力参数的变化，发现压力变化经历了缓慢增长，快速增长和增长饱和三个阶段，实现热声自激振荡的可视化研究。发现了行波发动机起振过程的模态纠缠现象，指出降低起振温度有助于抑制模态纠缠现象的发生；验证混合型热声发动机环路中的声直流现象，并揭示了声直流的存在将严重影响系统的温度的分布。上述研究有助于揭示复杂非线性效应对热声热机的影响规律和作用机理。研究了开口系热声驻波发动机板间距和板叠厚度对系统性能的影响和谐振管长度与系统性能的匹配，提出了适当增大板间距，减小板厚度有助于降低系统的起振温差，提高系统的压力振幅。发现存在一个最佳的谐振管长度使系统的性能达到最优。在驻波热声发动机中，构建了板叠结构形式与温度梯度相一致的优化设计理念，并提出了非等截面的板叠结构，分析比较不同锥角下非等截面板叠热声发动机的热力性能和温度场、速度场的分布规律，发现非等截面板叠具有提升驻波热声发动机性能的潜力。针对混合型热声发动机的复杂相位关系，引入反馈调节机构----相位调节器，系统比较了相位调节器的结构尺寸、位置对热声系统的热力参数、声直流的影响规律，并采用响应面分析法优化出最佳的相位调节器形式。另外，研究发现：相位调节器能够降低系统的起振温度，提高系统的压力振幅和改善热声转换效率，有助于我们探索反馈调控策略在热声热机中的作用特点。实验方面：研究热声系统自激振荡过程中温度动态变化规律，观测到温度经历了快速升高、缓慢升高和快速降低三个阶段，并数值验证了测试的正确性。本项目进一步揭示热声系统自激振荡自组织行为的物理本质，为提高热声系统的转换效率和解决工程应用弊端，提供可靠的理论依据和关键技术支撑。