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《武汉工程大学》 2016年
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双声源热声制冷机的理论与实验研究

陈浩  
【摘要】:热声热机(制冷机)是一种新型能量转换装置,具有能源品位低、无环境污染及可靠性高等特点。随着热声制冷这一技术的快速发展,再加上其于动力工程中的优异表现,可以预测无论是于高温超导领域,还是于航天航空,乃至低温工程,再到医疗等诸多领域的应用前景都是非常广阔的。于能源利用和能量转换方面,热声热机具有显著的技术优点,以及热声学丰富的研究成果、良好的应用前景显示出热声理论的研究和热声热机的开发具有蓬勃的发展生机。基于对热声理论予以全面认知的基础之上,自特征时间和网络模型,还有热力学这几个方面对双声源热声制冷机之具体性能予以了分析,借助实验,对充气压力、谐振频率、回热器丝网目数等于制冷温度方面所产生的影响予以了评析,为热声制冷机的工程化奠定理论和实验基础。本文的工作主要由以下几个部分组成:从热声基本方程推导,推导出流道中的网络传输方程,以此为基础构造了双声源热声制冷机各个部件的网络模型,并得到了各个部件网络的传输矩阵及双声源热声制冷机所对应之整机模型。借助网络模型的建构,基于对阻抗匹配这一原则予以的应用,在理论计算的基础上获得振荡频率,寻求了双声源热声制冷机振荡频率与系统长度、气体静压力的关系。从时变率相似分析方法入手,逐步得到热声系统的特征时间及指出其作为热声系统的一个重要特征参数的意义。在有限时间热力学理论基础上以生态学为目标函数对双声源热声制冷机所用之回热器的相关性能予以分析。在本质上,熵产分析以及有限时间的热力学分析二者之间存在紧密的联系,推导双声源热声制冷机所用的回热器中的流动换热之熵产所对应的表达式,对其特征时间及阻抗比对熵产率的影响予以分析。利用有限时间热力学的方法以热力学第二定律做基本的优化目标,对变温热源这一条件下的循环性能予以分析和认识,并由数值计算分析了温度梯度及气体微团振荡的平衡位置对热声制冷机火用效率的影响根据热声学理论以及多年来对热声装置研究的实践经验,对双声源热声制冷机整机、各部件结构参数和运行参数等进行优化选择由于单声源驱动的系统其谐振管边界条件以及回热器在谐振管中的位置调节异常繁琐,有些实际的声场很难通过单声源驱动的系统调试出来。双声源系统则通过两个驱动源,灵活调节系统的工作声场。最后,在实验室现有实验装置的基础针对双声源热声制冷机进行了实验,分别针对回热器填料物选取、充气压力及谐振频率对温差的影响、声压幅值与谐振频率的关系、声压幅值与相位差的关系等方面进行了实验,并把回热器冷端温度理论计算值和实验测量值进行了对比。
【关键词】:双声源 热声制冷机 网络模型 特征时间 生态学性能 熵产
【学位授予单位】:武汉工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TB651
【目录】:
  • 摘要6-8
  • ABSTRACT8-10
  • 主要符号表10-15
  • 第1章 绪论15-33
  • 1.1 研究背景与意义15-16
  • 1.2 热声理论的研究进展16-21
  • 1.2.1 热声效应原理16-17
  • 1.2.2 线性热声理论17-19
  • 1.2.3 热声网络理论19-20
  • 1.2.4 热声参数谐振理论20-21
  • 1.2.5 热声特征时间理论21
  • 1.3 热声装置的研究进展21-29
  • 1.3.1 热声发动机装置的研究进展21-25
  • 1.3.2 热声制冷机装置的研究进展25-29
  • 1.4 热声制冷的发展前景29-30
  • 1.5 本文主要研究内容30-33
  • 第2章 双声源热声制冷机的网络模型33-47
  • 2.1 引言33-34
  • 2.2 网络的基础理论34-36
  • 2.2.1 势与流34-35
  • 2.2.2 网络的矩阵描述35-36
  • 2.3 双声源热声制冷机各部件的网络模型36-42
  • 2.3.1 回热器网络模型37-40
  • 2.3.2 换热器和谐振管的网络模型40-42
  • 2.3.3 激振器的网络模型42
  • 2.4 双声源热声制冷机整机网络模型42-43
  • 2.5 回热器冷端温度数值计算43-45
  • 2.6 本章小结45-47
  • 第3章 双声源热声系统的特征时间分析47-67
  • 3.1 前言47-48
  • 3.2 时变率相似分析48-50
  • 3.3 热声系统的特征时间50-53
  • 3.4 双声源热声系统中回热器声场分析53-57
  • 3.4.1 行波比率54-55
  • 3.4.2 回热器边界处的阻抗55-56
  • 3.4.3 系统声压和阻抗的轴向沿程分布56-57
  • 3.5 双声源热声制冷机特征时间的生态学性能分析57-61
  • 3.6 双声源热声制冷机特征时间的熵产分析61-66
  • 3.6.1 特征时间对熵产率的影响63-65
  • 3.6.2 阻抗比对熵产率的影响65-66
  • 3.7 本章小结66-67
  • 第4章 变温热源条件下热声制冷机的(火用)效率分析67-74
  • 4.1 前言67
  • 4.2 循环模型67-69
  • 4.3 不可逆热声制冷机的(火用)效率分析69-70
  • 4.4 计算数值并讨论70-72
  • 4.4.1 (火用)效率受到温度梯度的具体影响70-71
  • 4.4.2 气体微团振荡的平衡位置对(火用)效率的影响71-72
  • 4.5 总结72-74
  • 第5章 双声源热声制冷机部件参数选择74-82
  • 5.1 引言74-75
  • 5.2 整机参数的选定75-76
  • 5.3 回热器76-78
  • 5.4 换热器78-79
  • 5.5 谐振管79-80
  • 5.6 声源(激振器)80-81
  • 5.7 本章小结81-82
  • 第6章 双声源热声制冷机的实验研究82-96
  • 6.1 引言82
  • 6.2 实验装置简介82-84
  • 6.2.1 压力传感器83
  • 6.2.2 温度传感器83
  • 6.2.3 数据采集器83-84
  • 6.2.4 SR830型锁相放大器84
  • 6.2.5 HEAS-20 型功率放大器84
  • 6.2.6 直流稳压电源84
  • 6.3 实验步骤84-85
  • 6.4 实验结果分析及讨论85-94
  • 6.4.1 回热器填料物选取85-86
  • 6.4.2 充气压力及谐振频率对温差的影响86-88
  • 6.4.3 声压幅值与谐振频率关系88-90
  • 6.4.4 声压幅值与相位差的关系90-91
  • 6.4.5 回热器冷端温度实验验证91-94
  • 6.5 本章小结94-96
  • 第7章 全文总结96-98
  • 7.1 全文总结96-97
  • 7.2 展望未来97-98
  • 参考文献98-108
  • 攻读硕士期间已发表的论文108-110
  • 致谢110

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