近临界区工质中的热声效应研究

A traditional thermoacoustic engine runs with the working fluid in the region far from its critical point. In this project, we propose to operate the thermoacoustic engine in the near-critical region, the purpose of which is to make use of the special thermophysical properties of the near-critical working fluid to affect the interaction between the fluid and the solid media and to explore the possibility of improving the performance of the thermoacoustic engine from the view of working fluid. The effect of thermophysical properties of the near-critical working fluid on the thermal cycle will be analyzed to improve the thermoacoustic conversion efficiency. While investigation the system's operating characteristics, the heat transfer feature and the onset of thermoacoustic oscillation will be emphasized to guide the design of the heat exchangers and to discuss the reasonable operating temperature of the system, respectively. Based on these analysis, an experimental apparatus will be built to verify the feasibility of the near-critical working fluid in a thermoacoustic prime mover. The work in this project is expect to provide a novel concept for the efficient thermoacoustic prime mover powered by low-grade heat source and to promote its practical applications.

传统热声热机工质多工作于远离临界点的状态区域，本项目提出工作在流体近临界区的热声热机构想，其学术思想在于利用近临界区内流体的特殊物性特征来改变流体与固体间的相互作用，探讨从工质所处状态的角度来改善热声效应的技术路线和可行性。项目研究中，拟分析工质在近临界区域的热物性及其对热声转换过程中工质微元热力循环的影响，揭示近临界区的热声效应机理，并据此讨论有利于实现高效率热声转换的工质热物性；拟探索在近临界区交变流场中的换热过程特点，探索合理的加热器和冷却器结构形式；拟专题考察在近临界区的热声起振消振行为特性。在此基础上，合理选择流体工质，构建实验样机，进而实验研究近临界工质应用于热声发动机的可行性。本项目研究有望为发展低品位热源驱动的高效热声发动机系统提供一条新的思路，为其实用化奠定基础。

本项目利用近临界区内流体的特殊物性特征来改变流体与固体间的相互作用，结合近些年兴起的多级环路行波热声发动机，探讨从工质所处状态的角度来改善热声效应的技术路线和可行性。首先，基于流体在临界点热物性以及线性热声理论，通过计算分析了近临界工质对热声谐振管传输性能以及对多级环路行波热声发动机起振过程的影响，发现采用近临界工质可以降低声功在谐振管内的耗散，还可能有助于降低系统的起振温度。然后，利用热声计算软件DELTAEC对四级环路行波热声发动机进行了优化设计，在此基础上，建成了多级环路行波热声发动机实验台。开展了多级环路行波热声发动机的初步实验工作，验证了该系统利用低品位热源驱动的可行性。在对环路结构的调相机理分析的基础上，提出了利用容腔和阻性管调节环路系统声场的调相方式，并对这两种调相方式进行了数值计算和实验研究。结果表明：引入的容腔和阻性管都可以显著改善系统的起振特性，起振温度大幅下降，它们所处位置会很大程度上影响该热声热机的起振特性。最后，搭建了用于验证近临界工质对热声系统适用性的多级环路行波热声发动机，实验结果显示，近临界工质的高压特性可以增加热声系统的能量密度，对于低品位热源驱动的环路热声发动机有重要意义。