非线性热声的基础研究及其实验现象的数值重构与模拟分析

Many key elements, which influence the competitiveness in engineering applications of thermoacoustic technology, are inordinately closely related to lots of nonlinear problems resulting from high amplitude acoustic oscillations. The nonlinear thermoacoustic theory has been increasingly becoming urgent needs for the application and development of thermoacoustic apparatuses. Therefore, there are these research contents for this project including: (1) to develop a high-dimensional analytical model and high efficient numerical algorithm based on gas kinetic scheme method for nonlinear thermoacoustic oscillation simulations, and to verify and improve established model through reproducing some complicated nonlinear experimental phenomena by this model. (2) to analyze the effect pattern and complicated coupling mechanism of nonlinear acoustic streaming, vortex flowing,harmonic wave as well as shock wave inside high acoustic amplitude of thermoacoustic apparatuses, with nonlinear heat transfer and acoustic oscillation. Moreover, to investigate their effects on thermoacoustic onset, acoustic saturation, temperature profile as well as instability thermoacoustics. (3) to study the characteristics of acoustic-flow fields inside a high amplitude thermoacoustic resonator, and its analytical design method to suppress nonlinearities, moreover, to analyze the effect mechanisms of resonator geometric shape on acoustic wave mode, acoustic-flow field profiles as well as acoustic amplitude. (4) to develop a comprehensive network analytical model for nonlinear thermacoustics, and to investigate the transmission parameter description for nonlinear network components and the analytical method based on the coupling frequency-domain model with time-domain model. The research of this project will provide the theoretical fundamentals of the nonlinear thermoacoustic analysis as well as the engineering design optimization for the application and development of thermoacoustic technology and apparatuses

影响热声技术工程化应用竞争性的诸多关键要素，都不同程度地与高幅声振荡引起的诸多非线性问题密切相关，非线性热声理论已经成为目前热声装置应用开发的迫切需要。为此，拟定项目研究内容：（1）发展高维非线性热声振荡模拟的分析模型,以及基于气动格式BGK方法的高效数值算法,并通过常见复杂非线性实验现象的数值再现来验证与完善。（2）分析高幅热声装置内非线性声流、涡流、谐波和激波的作用模式及其与非线性传热和声振荡的复杂耦合机制，并研究对热声起振、声饱和、温度分布以及不稳定热声的影响。（3）研究变截面高幅热声谐振腔的声-流场特性及其非线性拟制的分析设计方法。分析谐振腔几何形状对声波模态、声-流场分布以及声幅的作用机制。（4）发展非线性热声的综合网络分析模型。研究非线性网络元件的传输参数描述，以及时-频域网络模型相耦合的分析方法。项目研究将为热声技术和装置的应用提供非线性热声分析及工程设计优化的理论基础。

高幅声振荡引起的诸多非线性问题，是影响热声技术工程应用及其竞争性的重要因素，探索非线性产生的机理、发展非线性热声理论和分析工具已经成为重要的基础研究课题，为此，根据项目计划书展开了深入研究，并获得如下重要的研究进展。.（1）基于气动格式BGK方法的高效数值算法，利用已开发的二维非线性声振荡分析模型,详细分析了高幅声谐振腔内的非线性声流、涡流、谐波和激波等非线性因素的影响及作用机制，包括变截面高幅热声谐振腔的声-流场特性，几何形状及驱动声幅对声波模态、声-流场分布以及激波拟制的作用机制；等截面中谐波能量的级联过程及激波的产生机理分析。研究结果为大声幅谐振腔的设计及高功率密度的热声系统的实际应用提供理论指导。.（2）建立了环形行波多级热声热机系统的起振条件式，详细分析了起振温度的参数敏感性及其影响特性；同时，利用DeltaEC计算分析了多级热声系统（包括热机及其驱动的制冷机）的稳态声场分布和性能特性; 特别地，发展了微尺度线性热声的模拟方程及其网络模型，并分析了网络参数随回热器间隙尺度的变化特性。研究成果为低品位能源驱动的多级行波热声系统以及微电子热声散热和制冷的应用，提供设计分析的理论基础。.（3）创新地引入了基于数据的人工神经网络（ANN）和智能优化方法，应用来模拟分析热声系统的性能、映射复杂非线性关系以及优化设计，探索研究中的重要创新内容和进展包括：基于实验数据，利用ANN方法成功实现了热声热机及制冷机的性能或参数预测，以及热声换热器的振荡换热系数的预测；利用智能优化方法（包括FOA，Fruit Fly Optimizational gorithm、PSO，Particle Swarm Optimization以及GA，Genetic Algorithm方法），对热声系统/板叠的参数和性能，以及量子热声热机微热力循环进行了优化研究；同时，开发了协同DeltaEC-ANN的混合分析模型算法。研究成果为多物理场耦合、多尺度效应的复杂热声问题的研究，提供了新的思路以及高效实用的分析与设计优化工具。