声场与重力场耦合作用下太阳能热声热机性能研究

太阳能热声发动机是一种全新的太阳能热利用设备，系统以惰性气体作为工质，在完全无运动部件的条件下直接将太阳能转换为振荡压力波形式的机械能，具有可靠性高、绿色环保等突出优点，因此具有广阔的应用前景。在热声热机随集热器追踪太阳过程中，内部工质受到声场与重力场的耦合作用，探究声场与重力场对热声热机性能的影响对于提高热声热机的性能具有急迫的工程需求，同时探究多场耦合作用下交变流动与换热的规律又具有重要的科学意义。本项目计划开展研究内容包括：1）建立声场与重力场耦合作用下热声热机内部流动与换热的准确数学模型，探究系统结构尺寸对热声热机性能的影响规律，提供太阳能热声热机优化设计原则；2）探究声场与重力场耦合作用下，热声热机内部流动与温度分布变化对系统工质的依赖规律，提供太阳能热声热机工质选取原则；3）基于PIV对热声热机内部流场变化进行实验研究，探究热声热机工作机理和自激振荡原理，进一步完善热声理论。

太阳能热声发动机是一种全新的太阳能热利用设备，具有可靠性高、绿色环保等突出优点，因此具有广阔的应用前景。在热声热机随集热器追踪太阳过程中，内部工质受到声场与重力场的耦合作用，探究声场与重力场对热声热机性能的影响对于提高热声热机的性能具有急迫的工程需求，同时探究多场耦合作用下交变流动与换热的规律又具有重要的科学意义。基于此本项目针对多场耦合作用下热声热机内部的流动与传热特性开展了可视化实验研究。.本项目搭建了驻波型热声发动机实验装置，研究了其起消振温度、工作频率和压力振幅等基本工作特性。本项目实验研究了45°、90°、0°、-45° 和 -90° 五个角度下发动机的起消振温度及工作过程中板叠处的温度变化，分析了不同角度下重力作用下的热对流对起振过程的影响。实验发现驻波型热声发动机在水平安装时具有最低的起振和消振温度。随着角度的旋转，发动机的起消振温度出现不同程度的上升。当加热器位于冷却器上方时(45°和90°)，在重力场影响下热端热气流不断向上流动，不利于板叠处气体与固体介质间的换热，发动机起振温度升高。起振后系统内的声振荡强制将热气流带向冷端，板叠处温度升高。当加热器位于冷却器下方时(-45°和-90°)，受重力影响，板叠处存在着由下向上的强烈热对流，造成大量的热损失，系统起振温度大幅度上升。发动机高温起振后，系统内强烈的声振荡抑制了板叠处的上升热气流，板叠处温度下降。.为进一步分析多场耦合作用下热声热机内部的交变流动与换热规律，实验中利用扬声器模拟热声起振，基于粒子成像测速仪(PIV)和红外热像仪观察了45°、90°、0°、-45° 和-90°五个角度下扬声器驱动的热声热机热声核内的速度和温度场分布。实验发现热声核处的流动与传热特性受热对流与声振荡的共同影响，当热声热机水平安装时，热声核处存在环形的热对流，温度呈阶梯状分布。声场引入后热声核处换热模式由自然对流变为强制对流，在声振荡作用下温度分布变为抛物状。当热端位于冷端上方时(45°和90°)，热声核处的热对流非常微弱，周期速度在声振荡的影响下遵循正弦规律变化。当热端在冷端下方时(-45°和-90°)，受重力场作用，加热器与冷却器间存在着强烈的热对流，热声核处温度很高。在热对流的影响下热声核处的正弦速度分布呈现出整体的向上正位移。正是在声振荡与热对流的共同作用下，热声热机在不同的倾角下表现出不同的工作特性。