普冷温区高效串列热声制冷系统的工作机理研究

针对普冷温区热驱动热声制冷系统中声功不能有效输出的问题，发展了一种全波长串列热声制冷系统，本课题旨在深入研究串列热声系统的工作机理。串列热声系统是指在一直线型全波长谐振器内依次布置行波热声发动机和行波热声制冷机，直线型行波布局避免了环形行波声路的声直流等问题。热声源、制冷机负载和外声路谐振器三者交互影响，调制行波热声制冷机的相位特征和系统运行模态。热声源和制冷机负载之间的声阻抗匹配，可以实现声功的跨"准节点"传输，降低谐振器表面耗散，提高整机制冷的能效比。通过研究热波与声波之间的场协同机理，探索串列热声制冷机自调相工作机制。本研究可促进普冷温区热声制冷系统的商业化发展，在效率和功率密度水平上达到目前蒸汽压缩式制冷的性能。本研究发展了串列热声制冷技术的学术思想，也将丰富热声学的基本理论和研究方法。

本项目开展了串列热声制冷系统的基本理论研究和实验研究工作。提出了串列热声系统的工作机理，包括变哑铃形谐振器的声场调制机理和回热器非对称准行波相位调制机理。分析了全波长变截面哑铃形谐振器的声场特性、组织措施及其调节控制的规律。串列热声制冷系统具有自适应声场调制功能，热声源项和热声汇项之间具有特定的阻抗匹配关系。分析了声波的产生过程、传播过程、耗散过程中的规律。开发了一套串列热声制冷机实验系统，解决了串级系统起振温度过高的实验难题，实现热端起振温度由750℃以上降低至350℃。利用波动观点、热声网络方法和热声学基本理论，建立理论模型，起振温度理论模型与实验测量值之间的相对误差小于15%。发现了谐振管非线性耗散的本质是由于振荡速度涡脱离引起。实验研究首次发现起振过程中的频率漂移现象，分析认为是热声单元运行频率与声学结构谐振频率的差别所致。本研究可促进普冷温区热声制冷系统商业化发展，发展串级热声技术的学术思想，丰富热声学研究方法。