热声非线性理论模型及声直流理论研究

Thermoacoustic engine is a new type of engine, which is based on the thermoacoustic effect. Due to its simple structure, high reliability, no pollution, no moving part, the thermoacoustic engine occupies many advantages over the traditional mechanical compressors. A pulse-tube refrigerator or a thermoacoustic refrigerator driven by a thermoacoustic engine, instead of a traditional mechanical compressor, is expected to a promising cryocooler system. Therefore, the In-depth study of thermoacoustics, include thermoacoustic engine, thermoacoustic refrigerator and thermoacoustic theory, is not only one of the most attractive fields in refrigeration engineering, and can enrich the oscillation theory of fluid mechanics..Because lots of large-amplitude nonlinear phenomena in thermoacoustic devices can not be explained by conventional linear thermoacoustic theory, the main content of this project is as follows: A two-dimension second-order thermoacoustic theory model will be built based on the universal principle of hydrodynamics. The finite element analysis method will be used to solve the model. The calculated second-order physical parameters and time-averaged energy effects in thermoacoustic devices will be as a basis for calculating Rayleigh streaming and Gedeon streaming that may exist in various parts of the thermoacoustic devices under various boundary conditions. Last, we hoped to find the generation mechanism of acoustic streaming, and control them further.

热声机械是一种完全新型的热力机械，它遵循热声效应机理，与传统的压缩机相比，具有结构简单、运行可靠、寿命长、无污染、无运动部件等诸多优点，由热声发动机取代常规压缩机来驱动脉冲管制冷机、热声制冷机或发电机极具潜力。同时对热声理论的深入研究不仅会带动整个回热式热机、制冷机整体理论的发展,而且可以丰富振荡流体力学的相关理论及流固耦合场的理论。.本项目研究的主要内容是，针对目前热声机械中存在的大量大振幅非线性现象无法用常规线性热声理论来解释的困境，建立二维二阶非线性热声理论模型，并使用有限元分析的方法对模型求解；利用解得的声场高阶物理量、各类能量效应计算热声设备中各个部件中可能存在的各类边界条件下的Rayleigh声流和Gedeon直流。并希望能够进一步寻求声直流这类热声机械中广泛存在的非线性现象产生的机理和抑制的方法。

热声机械是一种完全新型的热力机械，它遵循热声效应机理，与传统的压缩机相比，具有结构简单、运行可靠、寿命长、无污染、无运动部件等诸多优点，由热声发动机取代常规压缩机来驱动脉冲管制冷机、热声制冷机或发电机极具潜力。同时对热声理论的深入研究不仅会带动整个回热式热机、制冷机整体理论的发展,而且可以丰富振荡流体力学的相关理论及流固耦合场的理论。. 本项目研究的主要内容是，针对目前热声机械中存在的大量大振幅非线性现象无法用常规线性热声理论来解释的困境，建立二维二阶非线性热声理论模型，并使用有限元分析的方法对模型求解；利用解得的声场高阶物理量、各类能量效应计算热声设备中各个部件中可能存在的各类边界条件下的Rayleigh声流和Gedeon直流。并希望能够进一步寻求声直流这类热声机械中广泛存在的非线性现象产生的机理和抑制的方法。. 经研究建立了热声系统完整的和频域的一维一阶、二维二阶及准二维一阶、准二维二阶有限元模型。并计算得到某行波和驻波发动机频域内准二维一阶及准二维二阶声场的各个物理量和各类能量效应；利用热声网络模型，分别采用集中参数法和分布参数法对该行波热声发动机进行分析同样得到了系统声场的各个物理量和各类能量效应；根据以上的方法研制了一台行波热声发动机，通过基础性实验对理论进行检验，证明了各类理论方法的可靠性和实用性。这部分研究的方法和结果不仅适用于研究和设计热声系统，也适用于广泛认可符合热声理论的所有回热式制冷机的研究和设计，同时对流固耦合场的相关研究也具有一定的意义。. 通过二维二阶的声场模型在等温边界条件下计算了某驻波发动机各部分可能存在的Rayleigh声流；采用分布参数法对热声系统内锥形管道进行了研究，结果表明在热声发动机内一些部分采用锥形管要优于直管，部分原因是因为锥形管道抑制了Rayleigh声流。这部分研究结果为了解Rayleigh声流行成机理，进一步抑制热声系统的声直流并优化系统的设计提供了参考。