正十字型時均流激聲發(fā)動機(jī)的數(shù)值模擬和初步實驗研究.pdf

1、時均流，也稱平均流(Mean flow)，是指具有顯著動能的單向流體流動，包括自然風(fēng)、管道內(nèi)氣流等。時均流橫向流過單端封閉空腔時會誘導(dǎo)出聲場，即時均流動能轉(zhuǎn)變?yōu)槁晥瞿?，這種效應(yīng)稱為時均流誘導(dǎo)聲振蕩效應(yīng)。基于時均流誘導(dǎo)聲振蕩效應(yīng)，可研制出新型無運(yùn)動部件的、可利用風(fēng)能的發(fā)動機(jī)--時均流激聲發(fā)動機(jī)。時均流激聲發(fā)動機(jī)可用于熱聲制冷、發(fā)電、降噪減振等領(lǐng)域，然而，時均流激聲發(fā)動機(jī)的理論和實驗研究僅處于起步階段，其工作機(jī)理尚不清楚。鑒于此，本文致力于

2、探索時均流激聲發(fā)動機(jī)的工作機(jī)理，開展了正十字型時均流激聲發(fā)動機(jī)的數(shù)值模擬與實驗研究。
　　 首次采用大渦模擬方法對正十字型時均流激聲發(fā)動機(jī)進(jìn)行數(shù)值求解，在諧振管內(nèi)成功獲得了穩(wěn)定的駐波聲場，分析了正十字型時均流激聲發(fā)動機(jī)內(nèi)部流場特性、聲場特性、流場中諧振管口的渦和聲場之間的耦合關(guān)系。分析表明，正十字型時均流激聲發(fā)動機(jī)諧振管內(nèi)產(chǎn)生的聲場在不同時均流速工況下有穩(wěn)定與非穩(wěn)定之分，而在穩(wěn)定的駐波聲場中則表現(xiàn)為不同工況下具有不同聲模態(tài)；諧振

3、管產(chǎn)生穩(wěn)定聲場時，諧振管口出現(xiàn)周期性的渦，且在不同時均流速工況下表現(xiàn)為不同的數(shù)量，即不同的水力模態(tài)。此外，對非正十字形結(jié)構(gòu)的四種管路系統(tǒng)的數(shù)值計算結(jié)果表明，要建立穩(wěn)定的駐波聲場，必須存在兩個不受時均流影響或影響較小的空腔。
　　 設(shè)計并搭建了時均流激聲發(fā)動機(jī)系統(tǒng)實驗臺，并就正十字型時均流激聲發(fā)動機(jī)進(jìn)行了初步實驗研究。取得了在不同時均流速下諧振管內(nèi)的聲場特性，獲得了不同時均流速工況下的多種聲模態(tài)，初步驗證了數(shù)值模型的正確性。實驗中

4、還簡要分析了溫度、時均流、平均壓力三者對聲場的影響。對數(shù)值計算結(jié)果和實驗結(jié)果的無量綱分析表明，時均流激聲發(fā)動機(jī)產(chǎn)生聲場的工況點分布在特定的斯特勞哈爾數(shù)區(qū)域，并反映了流場的水力模態(tài)特性，這為合理設(shè)計時均流激聲發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況提供了依據(jù)。實驗中獲得的諧振管末端最大壓力振幅為2.10kPa，其對應(yīng)的時均流速為44.55m/s，振蕩頻率為547Hz，壓比為1.04，諧振管內(nèi)聲場儲能為6.358×10-3J，該結(jié)果為后續(xù)利用時均流激聲發(fā)動機(jī)進(jìn)行風(fēng)能