駐波熱聲系統(tǒng)的振蕩機(jī)理和熱力學(xué)優(yōu)化.pdf

1、熱聲熱機(jī)是能實(shí)現(xiàn)熱能與聲能相互轉(zhuǎn)換的一種新型能量裝置，熱能轉(zhuǎn)化為聲能是熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，聲能驅(qū)動(dòng)熱能泵送是熱聲制冷機(jī)，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與熱聲制冷機(jī)的耦合成為完全無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的制冷機(jī)，因此研究熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的熱功轉(zhuǎn)換機(jī)理具有重要意義。熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)從初始狀態(tài)到正常運(yùn)行的過(guò)程是起振過(guò)程，也是一個(gè)建立自激振蕩的過(guò)程，對(duì)熱聲自激振蕩機(jī)理的研究有助于進(jìn)一步了解熱聲轉(zhuǎn)換實(shí)質(zhì)。本文在全面了解和總結(jié)熱聲理論的基礎(chǔ)上，分別從網(wǎng)絡(luò)理論、動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)幾個(gè)角度分析了駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)

2、的自激振蕩機(jī)理，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上分析了充氣壓力對(duì)維持自激振蕩的閥值溫度的影響。
　　本文的工作主要由以下幾個(gè)部分組成：
　　根據(jù)熱聲分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)模型，推導(dǎo)了各熱聲組件的網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納矩陣，建立了各熱聲組件的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及整機(jī)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。將整機(jī)網(wǎng)絡(luò)比擬成電網(wǎng)絡(luò)，利用哈密特式計(jì)算了輸入整機(jī)網(wǎng)絡(luò)的功流，網(wǎng)絡(luò)功流平衡對(duì)應(yīng)自激振蕩，根據(jù)這一判據(jù)利用閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)拆環(huán)原理將整機(jī)網(wǎng)絡(luò)拆成二端口開(kāi)環(huán)網(wǎng)絡(luò)，在角頻率虛部為零的情況下計(jì)算了駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的閥

3、值溫度和工作頻率，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合良好。
　　從動(dòng)力學(xué)的角度考查了熱聲自激振蕩系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)熱聲系統(tǒng)的基本方程組推導(dǎo)了一階波動(dòng)量下的熱聲自激振蕩系統(tǒng)的時(shí)域自治方程組，計(jì)算了熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)在建立自激振蕩過(guò)程中的定態(tài)點(diǎn)，利用Lyapunov穩(wěn)定性理論考查了定態(tài)的穩(wěn)定性，利用混沌動(dòng)力學(xué)的相關(guān)概念描述了建立自激振蕩的過(guò)程中熱聲系統(tǒng)的穩(wěn)定性隨時(shí)間演變的動(dòng)態(tài)行為。
　　降低熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的能量損耗有利于降低維持自激振蕩的閥值溫度，提高

4、對(duì)低品位能量的利用能力。對(duì)各熱聲組件的分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)傳輸矩陣進(jìn)行了辛對(duì)稱分析，在網(wǎng)絡(luò)傳輸矩陣辛對(duì)稱的基礎(chǔ)上，利用瑞利商式計(jì)算了各熱聲組件的最小本征阻抗，最小本征阻抗對(duì)應(yīng)最小網(wǎng)絡(luò)損耗，即最小能量損耗，給出了在熱聲系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中降低能量損耗能達(dá)到的最低限度，并考查了運(yùn)行工況對(duì)最小網(wǎng)絡(luò)損耗的影響。
　　從熱力學(xué)的角度考查了熱聲自激振蕩在熱力學(xué)空間中的體現(xiàn)。熱力學(xué)循環(huán)是一種自激振蕩，根據(jù)流相工質(zhì)的振蕩特性，建立了不可逆駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)微熱力

5、學(xué)循環(huán)以及不可逆駐波熱聲制冷機(jī)微熱力學(xué)循環(huán)的理論模型，該模型在p-V相圖上是一個(gè)橢圓，推導(dǎo)了循環(huán)聲功率和熱效率以及循環(huán)制冷率和制冷系數(shù)，并利用有限時(shí)間熱力學(xué)的方法以熱力學(xué)第一性能、熱力學(xué)第二定律性能、生態(tài)學(xué)性能為優(yōu)化目標(biāo)考查了不可逆熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)微熱力學(xué)循環(huán)以及不可逆熱聲制冷機(jī)微熱力學(xué)循環(huán)的性能。
　　最后，在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，觀察了駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)建立自激振蕩的過(guò)程，考查了充氣壓力對(duì)閥值溫度的影響，并與計(jì)算值進(jìn)行了