小型行波熱聲熱機(jī)系統(tǒng)的研究.pdf_第1頁(yè)
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1、熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的脈沖管制冷機(jī)是一種完全沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件的新型制冷機(jī),由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)污染等諸多優(yōu)點(diǎn),倍受學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。近年來(lái),隨著航天工業(yè)和國(guó)防工業(yè)對(duì)小型低溫制冷機(jī)需求的日益增長(zhǎng),如何實(shí)現(xiàn)熱聲驅(qū)動(dòng)器的小型化就成為迫切需要解決的問(wèn)題。為了有效提高小型斯特林型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)波動(dòng)壓力幅值、降低熱聲驅(qū)動(dòng)脈沖管制冷機(jī)的制冷溫度,本文針對(duì)以下幾個(gè)方面開展了理論和實(shí)驗(yàn)研究工作:
   ⑴從線性熱聲理論入手,定性分析

2、了回?zé)崞髁鲏合辔徊钜约白杩箤?duì)聲功沿程變化率的影響,確立了相位和阻抗聯(lián)合調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)原則。
   ⑵小型斯特林熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)值模擬和計(jì)算分析。建立小型高頻斯特林型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的線性理論模型,在此基礎(chǔ)上,對(duì)斯特林型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的聲場(chǎng)分布,包括波動(dòng)壓力、體積流率、流壓相位差、溫度以及聲功流等的分布進(jìn)行了數(shù)值模擬,對(duì)此類發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的聲場(chǎng)分布有了更為深入的認(rèn)識(shí);分析了系統(tǒng)各元件徑向尺寸對(duì)于系統(tǒng)諧振頻率以及性能的影響,計(jì)算結(jié)果表明,諧振管內(nèi)徑的變

3、化對(duì)于小型斯特林熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的諧振頻率以及性能具有十分重要的影響,適當(dāng)減小諧振管的徑向尺寸,能夠有效降低整機(jī)的諧振頻率,減小回?zé)崞魈幱捎谒俣冗^(guò)大造成的粘性損失,提高系統(tǒng)波動(dòng)壓力幅值,這對(duì)于熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的小型化具有重要的指導(dǎo)意義;從阻抗和相位的角度分析了運(yùn)行參數(shù)包括加熱量和充氣壓力對(duì)于系統(tǒng)性能的影響,指出在設(shè)計(jì)過(guò)程中,運(yùn)行參數(shù)必須結(jié)合結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行綜合考慮才能夠在回?zé)崞魈帿@得最佳的阻抗和相位差,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的最優(yōu)。
   ⑶在

4、計(jì)算及試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并建立了一臺(tái)氦氣工質(zhì)的小型斯特林熱聲發(fā)動(dòng)機(jī),總體尺寸為690×260mm,總重量不超過(guò)5Kg。通過(guò)回?zé)崞鲀?yōu)化、諧振管管徑調(diào)節(jié)、改變運(yùn)行參數(shù)等實(shí)驗(yàn)手段,當(dāng)充氣壓力為2.5MPa,加熱量為700W的時(shí)候可以獲得2.71Bar的最大壓力峰峰值,壓比達(dá)到了1.115,此時(shí)系統(tǒng)的諧振頻率為282Hz,成功突破了高頻小波動(dòng)壓力幅值的瓶頸。
   ⑷建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)--負(fù)載的集總網(wǎng)絡(luò)模型,分析結(jié)果表明,熱聲發(fā)

5、動(dòng)機(jī)與負(fù)載之間是相互影響,相互制約的,負(fù)載的加入,會(huì)引起熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)加熱器的溫度和壓力波動(dòng)幅值的變化,這種變化反過(guò)來(lái)又會(huì)對(duì)負(fù)載的性能產(chǎn)生影響;分析了發(fā)動(dòng)機(jī)和負(fù)載之間的連接管在系統(tǒng)耦合中的重要作用,初步總結(jié)了熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與負(fù)載的耦合關(guān)系;對(duì)慣性管的相位以及阻抗的調(diào)節(jié)功能進(jìn)行了定性的分析,強(qiáng)調(diào)了慣性管對(duì)阻抗的調(diào)節(jié)能力。
   ⑸基于線性熱聲理論,本文首次將斯特林熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)和慣性管調(diào)相的脈沖管制冷機(jī)作為一個(gè)整體進(jìn)行數(shù)值模擬,重點(diǎn)模擬分析了

6、蓄冷器的長(zhǎng)度、脈沖管的長(zhǎng)度和內(nèi)徑、制冷機(jī)換熱器的目數(shù)和長(zhǎng)度、制冷機(jī)慣性管的長(zhǎng)度和內(nèi)徑以及連接管的長(zhǎng)度和內(nèi)徑對(duì)于制冷機(jī)性能的影響。同時(shí)也分析了熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及運(yùn)行參數(shù)的變化對(duì)制冷機(jī)的影響。
   ⑹根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果,對(duì)熱聲驅(qū)動(dòng)脈沖管制冷機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)優(yōu)化。重點(diǎn)優(yōu)化了慣性管的長(zhǎng)度和內(nèi)徑以及連接管的長(zhǎng)度,同時(shí)也對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的諧振管以及工作壓力進(jìn)行了優(yōu)化。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)諧振管內(nèi)徑為20mm,回?zé)崞髂繑?shù)為200,制冷機(jī)連接管長(zhǎng)度為350m

7、m,慣性管的內(nèi)徑為2mm,長(zhǎng)度為200mm的時(shí)候,在以2.5Mpa的氦氣為工質(zhì),加熱功率為600W的情況下,得到了147.3K的最低制冷溫度。在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),制冷機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間安裝一個(gè)球閥對(duì)熱聲驅(qū)動(dòng)脈沖管制冷機(jī)的起振溫度具有重要影響,關(guān)閉雙向進(jìn)氣閥可顯著降低熱聲系統(tǒng)的起振溫度。采取在球閥氣閥關(guān)閉狀態(tài)啟動(dòng)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)加熱器,系統(tǒng)起振后再緩慢打開球閥的操作方式,既不影響脈沖管制冷機(jī)的正常降溫,又可實(shí)現(xiàn)較低的起振溫度,有利于利用低品位熱源作為驅(qū)

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