大型多功能热声发动机的研制及初步实验 第二部分热声发动机的初步实验.pdfVIP

低 温 工 程 2003 年第 3 期 NO.3 2003 总第 133 期 CRYOGENICS Sum NO.133 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 大型多功能热声发动机的研制及初步实验! 第二部分：热声发动机的初步实验 邱利民 张武 孙大明 甘智华 陈国邦 严伟林 欧阳录春 段祎 （浙江大学制冷与低温研究所 杭州 310027） 摘 要 行波热声发动机在回热器中进行的是可逆热声转换过程，理论上可以 更高效地产生和传输声功，因而具有广阔的研究应用前景。对自行研制的大型多功 能热声发动机进行了初步实验，着重研究了系统的起振、消振过程及压力波动情 况。实验结果表明，该热声发动机比纯驻波型热声发动机具有更低的起振温度、更 大的压比及更高的热声转换效率。以氮气为工质，在充气压力为 9 X 105 Pa 的条件 下，该热声发动机最大压比达 1.21，工作频率为 25 Hz，这是当前国际上处于前列 的实验结果。 主题词 行波型热声发动机 起振 压比 ! 引 言 根据声场特性不同，热声发动机主要分为驻波型、行波型及驻行波混合型三种形式。图 1 给出了驻波与行波声场中位移、速度、压力振荡的相位关系。压力振荡曲线的 cp / ct 0 部分为压缩过程，cp / ct 0 部分为膨胀过程，将速度振荡曲线的正值部分定为加热过程， 负值部分定为冷却过程。从图 1 可以看出，由于驻波场中速度和压力之间相位差为 90 ，使 得板叠处气体同时经历加热与压缩过程以及冷却与膨胀过程，因而理论上无法实现热功转 化。为了实现热功转化就必须采用间距较大的板叠以形成热滞后，使一部分加热发生在压缩 过程之后，一部分冷却发生在膨胀过程之后，这样气体同固体间的有限温差热传递造成的不 可逆热力过程使整个装置的效率降低。行波热声发动机中回热器填料的空隙尺寸远小于气体 热渗透深度，实现了固体与气体间的理想热接触，加热和冷却近似为可逆等温过程。同时， 行波声场中速度和压力同相位，声功的产生和传输效率得到质的提高。由于行波热声发动机 回热器填料间隙的水力半径远小于气体工质的热渗透深度，而且回热器处具有很小的 ， p / vm 因此纯行波热声发动机粘性阻力损失很大，甚至可以完全消耗掉由热声效应产生的声功。也 正是这个原因，Ceperiey 在他的行波热声装置上没有得到放大的声功，Yazaki 的行波热声发 受国家自然科学基金（ ）及教育部全国优秀博士学位论文作者专项基金（ ）资助的课题。邱利 ! 200033 民，男，33 岁，博士，教授。 本文于 2002 年 12 月 9 日收到。 2 低 温 工 程 2003 年 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 动机效率也很低。同时，由于回热器中固体介质同气体介质之间相互热传递时总会不可避免 地存在热滞后，理想情况下的行波热声发动机难