强化回热器热声效应的工质优化研究

热声系统内的声振荡工质是热能和声能传递、储存与转换的载体。已有研究结果表明，不同的热声系统对工质特性参数有着不同的要求，小的普朗特数和大的比热容比无法普适于各类热声系统。目前，尚缺乏对热声热机中声振荡工质的系统研究。本项目拟从理论和实验两个方面入手，对热声热机中的工质展开详细、系统的研究。采用双声源驱动的实验方法，解决回热器复杂声场调控的实验研究，丰富热声学研究的实验方法。建立声场边界可调节的热声回热器实验平台，比较全面地获得回热器复杂声场，综合各种结构参数的回热器设计及各类工质的混合调制，使用正交实验法为工质优化研究提供有效的实验结果。结合理论与实验研究，探索工质特性参数对热声转换的作用机理，在不同的回热器结构和工作声场条件下对工质进行综合优化，揭示工质与各类热声回热器的匹配规律，获得热声热机中评价工质性能的综合因子，为热声热机优化设计中工质选择提供指导。

热声系统内的声振荡工质是热能和声能传递、储存与转换的载体。本项目从理论和实验两方面入手，对热声热机中的工质展开详细、系统的研究。为研究不同声场条件下气体工质对回热器热声转换特性的影响，采用如下方法调整回热器中声场特性：（1）使用不同的管道结构（即不同机型），以控制热声回热器处的声场条件；（2）在多功能单元的级联型热声系统中，通过一个吸声元件调整系统中行驻波比例，研究各个功能单元在不同行驻波条件下的转换特性。为此，搭建了几种热声热机实验系统（行波型热声发动机、驻波热声发动机、驻波型热声发电机、行波型热声发电机和级联型热声制冷系统），针对这几种热声系统进行了工质优化实验研究。实验研究表明：虽然工质特性不同，但各种机型各自的最优相对水利半径（回热器水利半径与热渗透层深度比值）相差不大；增加He气在Ar-He混合气体中的比例，可增加系统谐振频率，增加扬声器振荡流速，能有效提高扬声器输出电功。通过调整热声系统中的工质，调整系统谐振频率，研究了系统谐振频率对压力振幅的影响。研究结果表明，在热声发动机产生的声功相同时（即系统的声功耗散相同时），压力振幅随谐振频率的升高而降低。基于行波热声发动机和热声发电机的研究，进一步地，本项目使用扬声器作为声电转换器，发展了一种高性价比的级联型热声发电系统。该级联型热声发电装置充入氦气且充气压力为18bar时，系统谐振频率为171Hz，，总热电效率在总输入电功为5.4kW时达到最大值3.43%，在输入电功为6kW时，系统总输出电功为204W。另外，基于本项目的研究发展了一种半波长级联型热驱动热声制冷系统。在一直线型半波长谐振器内依次布置三个功能单元（驻波热声发动机、行波热声发动机和行波热声制冷机），各个功能单元有机的结合，相互配合工作，在实现自身功能的同时为其他功能单元创造有利的工作环境。