热声理论及热声驱动脉冲管制冷机实验研究

摘要

本文首先回顾了热声机械的发展历史和最新成果，介绍了热声机械工作原理，重点研究了热声理论及其实验中的若干问题： 1.热声二阶非线性理论模型　　以流体力学基本原理为基础建立了热声系统的二维二阶理论模型，分析了由于系统中二阶物理量的存在所引发的非线性效应，讨论了热声系统中若干物理量由于非线性效应所带来的变化。最后，通过对该理论模型中流场方程的封闭性研究，分析了进行数值模拟计算的可行性。 2.Rayleigh声流模型　　根据热声二维二阶理论模型推导了一般驻波型热声系统中二阶时均流速的表达式，该表达式包含了无限大平板和圆管两种模型，已知系统的平均压力、平均温度、平均温度梯度、纵向压力梯度，即可求出相应的二阶时均流速及二阶时均比质量流，从而得知系统中Rayleigh流的分布情况。可以计算的系统不仅包括热声设备的各部分(谐振管、回热器、反馈管、热缓冲管)，而且依然适用脉冲管制冷机中脉冲管这类封闭管道的交变流动设备。另外，通过对该模型的分析，提出了Rayleigh声流产生的机理。 3.热声谐振管　　谐振管作为热声发动机的重要部件之一，其几何参数的变化对热声系统的工作性能有重大影响，本文对驻波型热声发动机的锥形谐振管和圆直谐振管进行了初步的实验对比，以探明谐振管的形状对热声发动机系统性能的影响。其后，基于热声系统存在的非线性效应对实验结果进行了分析。 4.热声驱动脉冲管制冷机　　本文介绍了热声驱动脉冲管制冷机的设计及其获得液氮温度以下的低温的工作原理。通过热声理论简单分析了长径管的调相机理。

目录

摘要

主要符号表

第一章绪论

§1-1课题背景

§1-2热声效应和热声热力循环简介

§1-2-1热声效应

§1-2-2热声系统热力循环

§1-3发展历史和现状

§1-3-1热声学实验发展简介

§1-3-2热声交变流动理论和声流理论进展

§1-4热声研究热点

§1-5应用前景

§1-6本文工作简介

第二章热声理论模型介绍及研究

§2-1热声线性理论介绍

§2-1-1 Rott经典线性热声理论

§2-1-2 Swift线性热声网络理论(热声学相似理论)

§2-2热声二阶理论模型

§2-2-1普遍原理

§2-2-2热声学理论的基本假设

§2-2-3二阶流场方程推导

§2-2-4二阶非线性模型下的能量效应

§2-2-5基于热声二阶理论模型数值计算的可行性分析

§2-3本章小结

第三章Rayleigh声流模型理论研究

§3-1 Rayleigh声流模型推导的基本假设

§3-2 Rayleigh声流模型

§3-2-1模型推导

§3-2-2积分求解

§3-2-3结果分析

§3-3计算实例

§3-3-1热声板叠

§3-3-2热声谐振管

§3-4热声系统参数对Rayleigh声流的影响

§3-4-1无量纲数b/δμ(R/δμ)

§3-4-2纵向温度梯度()T0/()x

§3-4-3 ε的影响

§3-4-4其他系统参数的影响

§3-5 Rayleigh声流产生机理的解释

§3-6本章小结

第四章热声发动机谐振管对比实验研究

§4-1实验装置

§4-2实验方法及步骤

§4-3实验结果与分析

§4-3-1压比

§4-3-2输出功与相对卡诺效率

§4-4锥形管对热声系统的影响

§4-5本章小结

第五章热声发动机驱动脉冲管制冷机实验研究

§5-1脉冲管制冷机

§5-2脉冲管制冷机的发展

§5-3脉冲管制冷机的设计准则及方法

§5-3-1设计参数

§5-3-2脉冲管制冷机的结构参数分析

§5-3-3脉冲管制冷机的设计方法和设计结果

§5-4热声发动机驱动脉冲管制冷机实验研究

§5-4-1实验系统

§5-4-2实验过程和结果

§5-4-3实验结论

§5-5长颈管调相理论研究

§5-6本章小结

第六章总结和展望

§6-1全文总结

§6-2本论文的创新点

§6-3工作展望

参考文献

附录A：求解二阶稳定流速的所有一阶量的确定

附录B：平板Rayleigh声流模型解析解的系数

附录C：热声谐振管对比实验数据

附录D：攻读博士学位期间发表(投稿)的论文目录

附录E：参加科研项目及作者简介

致谢