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rijke管热声振荡的实验研究 1 实验装置的热声效应应用 2年前，人们在自然界中发现了两个现象，即热现象和声音现象之间的关系。热能与声能的转化作为一种现象而言, 热声振荡研究的较早。1850年, Sondhauss制作了如图1 (a) 所示的实验装置, 后被命名为Sondhauss管。其一端为较大的玻璃球, 另一端开口, 当用火焰稳定地加热玻璃球时, 在另一端就能听到声音, 并且声音的频率与实验装置的结构尺寸有关。同期, 科学家Rijke建立了如图1 (b) 所示的简单系统, 后被命名为Rijke管。在1根两端开口的玻璃管中的适当位置放置一小段加热丝, 当丝网温度达到一定的时候, 在管子一端就可得到强烈的声振荡。但此时只是人们对于自然现象的初步探索。1949年, Taconis振荡现象的发现引起了人们对此现象作进一步的深刻研究, 并设想利用热声现象。1974年瑞士的Merkli利用开口管中的振荡声波实现了制冷。从此之后, 热声效应不断得到新的发展和应用。 曾经出现过很多热声振荡现象的演示装置, 如田大里的歌焰发声装置及频率微调装置, 一些大学物理课堂中使用的Rijke型振荡器, 采用加热的丝网取代了火焰, 人们称之为“啸声管”。这些演示装置都能起到很好的演示效果, 但是这些演示方法只是从声觉的角度感受热声振荡现象, 并不能激发人们去理解热声振荡的应用。为了帮助理解热声现象, 本文作者制作了2套热声演示装置。该演示装置, 将看不见的声波动, 转化为水柱的波动并且放大, 不仅能从视觉上演示热声振荡现象, 定性地分析一些热声振荡特性, 而且能够给人们一种直接的启发, 来进一步思考对热声效应的应用。 2 热声振荡rolerth 最早对热声现象进行实验研究的是Sondhauss。他发现, 如果在图1 (a) 所示的封闭玻璃球处加热系统, 则这种简单系统就可以把部分热量转化为声能, 引起管内气体的自激振荡。但他没有对热声机理进行更进一步的研究。 图1 (b) 所示为Rijke型热声振荡系统, Rijke也作了简单的定性分析, 认为热源位于合适的位置、在合适的条件下, 管内会产生自激声振荡。后来, 科学家Rayleigh作了进一步较深入的研究, 认为自激振荡是由叠加在稳定向上的对流空气上的压缩和膨胀振荡造成的。这个解释后来被称为Rayleigh判据。他指出了热能维持声振荡的定性机理是:对于振荡的气体周期性的加入和吸走热量, 供热必须和振荡之间满足一定的相位关系。当以热功转换为目的时, 合理的供热方式是在流体最密集时 (即压缩时) 注入热量, 而在流体最稀薄时 (即膨胀时) 吸走热量, 这样的供热条件将强化热声振荡, 实现热能向声能的转换。 普通的热声振荡系统通常由热声管、冷热端换热器、板叠以及工质组成, 如图2 (a) 。显然, 热声装置中不具有周期性的热源, 似乎不可能实现热声效应。热声效应关键在于声波在流体中纵向传播的同时伴随着振荡流体与固体之间的横向交变的动量与热量的交换。这2个方向波动扩散的相互作用使得热声效应得以产生和维持。这个重要的过程就发生在两换热器之间的区域——热声板叠中。图2 (b) 示出了板叠狭缝中的气态工质的振荡过程。 3 热声振荡实验装置 从以前的研究中得出产生热声振荡的2个必要条件是要有对流气体和具有放在一定部位的热源, 而且实验和理论都证明只有当热源位于一个合适位置 (如声速领先于声压1/4周期的地方) , 热声振荡才能够发生并且强化。 本文作者参考了文献以及大量其他文献资料, 在热声振荡原理基础上, 自行研制了Rijke型和Sondhauss型2套可视化热声振荡实验装置, 如图3和图4所示。其中图3所示的Rijke型热声振荡装置与文献中的相比, 不同的是该装置中布有多个温度测点, 可用来探索热声发生的内在机理以及进行热声特性的研究。这2套装置为定性的理解和研究热声振荡提供了一种可视化的手段。 Rijke型热声振荡管主体是由玻璃做成, 采用可流动性液体 (水) 作为排除器。该装置主体分为3部分:① Rijhe型热声振荡管;② U形玻璃管 (液体连通器) ; ③ 细玻璃盘管 (压力波动放大器) 。其中Rijke型热声振荡管又由玻璃弯管、蓄热器 (热端换热器) 、板叠 (回热器) 所组成。为分析热声振荡的机理, 在制作Rijke型热声振荡管过程中, 将4根铜-康铜热电偶分别埋入蓄热器和板叠中, 如图5所示。这样可以利用数据采集系统, 根据测量出的温度值, 分析蓄热器及板叠内部的温度分布情况, 以及热声起振过程中板叠与蓄热器温度的变化情况。 4 热声振荡热源 对于Rijke型热声振荡装置, 实验时首先在热声管中注入一定量的水, 使得液面稍低于Rijke管的弯头处。开始时U形管内的液面和盘管中液面齐平。但是根据以前的