分布式非对称喷管和高压工况联合强化热声转换效应机理研究

The practical application limitation of thermoacoustic engines can be attributed to the relatively low thermal efficiency and power density. For these two key issues, this project proposes two ways, i.e., distributed asymmetrical nozzles and high pressure operation, to enhance the thermoacoustic effect. The distributed asymmetrical nozzles are expected to form a suitable resistance for the second-order time-averaged flow with a small resistance for the first-order oscillating flow, aiming for effectively suppressing the Gedeon streaming with low loss. The amelioration of the fluid acoustic impedance, thanks to the high pressure operation, is expected to intensify the thermoacoustic conversion. The research work will focus on: impact of Gedeon streaming on thermoacoustic effect within the regenerator, impedance of distributed asymmetrical nozzles with respect to the oscillating flow, impedance characteristics of regenerator under high pressure operation and its influence on thermoacoustic effect, optimization and validation of high-efficiency and high-power-density thermoacoustic engine system. The emphasis will be put on revealing the working principle of the distributed asymmetrical nozzles for effectively suppressing the Gedeon streaming, and also the working principle of the high pressure operation for enhancing the thermoacoustic effect. This project supplies novel ways for developing high-efficiency and high-power-density thermoacoustic engines, which will lay a foundation for their prospective applications of driving refrigerators and electricity generators.

针对现有热声发动机热功转换效率和能量密度偏低这两个限制其实际应用的关键问题，本项目提出采用分布式非对称喷管和高压运行工况两种技术途径联合强化热声转换效应。其学术思想在于：利用分布式非对称喷管获得适宜的二阶时均流流阻且保持较小的一阶交变流流阻，进而达到高效低损抑制Gedeon流的目的；同时，通过高压工况下的工质热物性，改善热声发动机的声阻抗特性，以强化热声转换效应。拟开展的研究内容包括：Gedeon流对回热器热声转换效应的影响机制，分布式非对称喷管在交变流动中的阻抗特性，高压运行工况下的回热器阻抗特性及其对热声转换效应的影响，以及高效高能量密度热声发动机系统的优化与验证。着力探索分布式非对称喷管有效抑制Gedeon流和高压工况提高回热器热声转换效率与能量密度的工作机理。本项目研究有望为发展高效、高能量密度热声发动机系统提供新的思路，进而为其在驱动制冷机或发电系统等方面的潜在应用奠定基础。

热声发动机基于交变流动流体的热声效应实现热能向机械能的转化，因其内部完全无固体运动部件，避免了机械摩损与滑动密封，从而具有运行可靠性高、寿命长等优点。近年来，各国学者针对热声发动机开展了深入研究，使其获得快速发展。针对现有热声发动机热功转换效率和能量密度偏低这两个限制其实际应用的关键问题，本项目提出采用非对称喷管和高压运行工况两种技术途径强化热声转换效应。其学术思想在于：利用非对称喷管高效低损抑制Gedeon声直流，同时，通过高压工况下的工质热物性，改善热声发动机的声阻抗特性，以强化热声转换效应。围绕该研究主题，本项目开展的主要研究工作以及研究结果包括：（1）基于热声理论对于热声发动机的模拟分析，揭示了Gedeon声直流通过改变回热器以及热缓冲管中的温度分布进而影响热声发动机系统热效率的作用机制；（2）采用CFD方法，基于瞬态和稳态两种模型，分析了准静态假设对于工作于交变流动流场中非对称喷管工作性能分析的适用性；提出了时均阻力系数、总阻力系数和效率系数三个评价指标用于评估非对称喷管诱导时均压降的性能；基于数值模拟和实验观测，揭示了非对称喷管在交变流动流场中的阻抗特性以及诱导时均压降的性能；（3）采用热声理论分析了高压运行工况对于回热器声阻抗特性及其热声转换效应的影响；（4）基于上述研究，设计并搭建了一台四级行波热声发动机系统；通过采用合理设计的非对称喷管，有效抑制了Gedeon声直流，使得压力振幅增加了12.5%；将工作压力从1MPa提升至6MPa，使得压力振幅增加了126%，能量密度显著提高。总体来讲，本项目深化了Gedeon声直流对于热声转换效应影响机制的认识，阐明了非对称喷管在交变流动流场中诱导时均压降的特性，从理论和实验两个方面论证了非对称喷管和高压工况强化热声转换效应的有效性。本项目的研究成果可为高效高能量密度热声发动机的设计提供有益的指导。