可利用中温热能的双级高效行波热声发动机机理研究

The recent proposed multi-stage traveling wave thermoacoustic engine is able to increase the density of acoustic power and lower the heating temperature requirement for the system, therefore has a potential to achieve a utilization of low-grade heat effectively. However, the onset and coupling mechanism as well as the matching of acoustic power output of multi-stage traveling wave thermoacoustic engine is still under preliminary research. The system often encounters with multi-variable optimization in the design and low efficiency in the application. Based on these scientific issues, a two-regenerator (double-stage) travelling wave engine is selected for further study in this project. Study and discussion includes effective operating mechanism of the system in medium temperature driven conditions, coupling characteristics between the parameters of regenerators, the influential regularity of the coupling characteristics to the self-oscillation and acoustic power gain ratio. Furthermore, the influential mechanism between the regenerators and the acoustic power output of the system will be investigated. Progressively, the effective operating mechanism of double-stage travelling wave thermoacoustic engine in medium temperature driven conditions will be well disclosed, and forming a strong theoretical and engineering reference basis for design and application of double-stage traveling-wave thermoacoustic engine.

近期提出的多级行波热声发动机能够增加声功密度和降低系统对热源温度的要求，具有实现低品位热能高效利用的潜力。目前对多级行波热声发动机的起振机理、耦合特性和声功输出匹配等研究还比较初步，系统在设计和应用中常遇到优化变量多，热声效率低等问题。针对这些科学问题，本项目选取两个热声单元（双级）的行波热声发动机作为研究对象，将探索系统在中温驱动条件下的高效工作机理，系统分析回热器参数的耦合特性，研究其耦合特性对系统自激振荡和声功增益率的影响规律；探讨两个热声单元之间的相互影响机制，深入研究其相互影响机制和声功输出的匹配规律，揭示双级行波热声发动机在中温驱动条件下实现相对高效率的工作机理，为双级行波热声发动机的设计和应用提供理论依据和参考。

本课题深入研究了中温驱动条件下双级行波热声热机回热器参数对系统自激振荡和声功增益率的影响规律；掌握两个热声单元之间的相互影响机制和系统声功输出的匹配规律；揭示了双级行波热声热机在中温驱动条件下实现相对高效率的工作机理。对于该项目，具体研究内容如下：.（1）对线性热声理论进行了总结及讨论。采用拉格朗日坐标系下的气体微团分析法分析了板叠中的气体微团所经历的热力学过程，利用过程分析法阐述了回热器中气体微团的运动过程。从基本流体力学控制方程出发，将控制方程频域线性化后，推导了线性热声理论的基本波动方程，获得声功流及总能流的表达式，给出了评价系统性能的核心指标，热效率、相对卡诺效率及最大压比。.（2）基于线性热声模拟软件DeltaEC对双级行波热声热机系统进行数值模拟研究。根据系统的中心对称性，构建了DeltaEC简化模型，提出对其中一级热声热机单元进行模拟也可达到模拟整圈环路目的的猜想并通过构建闭合环路模型及开式半圈模型得以验证。利用DeltaEC获得了系统内声场、声功流及总能流的沿程分布规律，探究了不同工况下不同回热器长度对净声功、输入功率、热效率及压比的影响。结果表明，以氦气作为工质，系统的工作频率为153Hz，热效率为40.22%，相对卡诺效率为60.16%。当回热器长度恒定时，系统声功、输入热量及最大压比随充气压力增加而增大；当充气压力一定时，，系统声功、输入功率计最大压比减小与回热器长度成正比。.（3）提出了一种适用于双级行波热声热机的系统设计方案。根据线性热声理论，结合现行压力管道设计标准，对双级行波热声热机系统内各热声元件进行设计计算，介绍了各热声元件的设计原则，并给出了基本设计参数下的量化设计指标。.（4）以氮气和氦气为工质的双级行波热声热机特性实验研究。分别采用氮气和氦气为工质，在双级行波热声热机实验平台上进行了实验，得出热源温度较低时采用氮气作为工质更为适合，当热源温度较高，且热流密度较大时，采用氦气作为工质输出声功更大，效率更高。