【摘要】：行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)具有效率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低以及可利用低品位熱能等突出優(yōu)點(diǎn),可望在太陽(yáng)能發(fā)電、工業(yè)廢熱回收、冷熱電聯(lián)產(chǎn)和分布式供能等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)為熱聲與機(jī)電強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng),深入理解其耦合振蕩和能量轉(zhuǎn)換機(jī)理對(duì)于實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定高效運(yùn)行至關(guān)重要。然而,目前仍缺乏針對(duì)上述關(guān)鍵問(wèn)題系統(tǒng)和全面的研究,熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與直線發(fā)電機(jī)間的耦合匹配特性仍未清晰闡明,整機(jī)性能亟待提高。針對(duì)上述問(wèn)題,本文開(kāi)展了以下理論與實(shí)驗(yàn)研究工作： 1.發(fā)展建立了適用于行波熱聲系統(tǒng)瞬態(tài)過(guò)程模擬的時(shí)域網(wǎng)絡(luò)模型,開(kāi)展了行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)起振特性的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 熱聲起振是熱聲領(lǐng)域的基礎(chǔ)問(wèn)題之一,準(zhǔn)確模擬起振過(guò)程、預(yù)測(cè)起振溫度和頻率對(duì)于揭示起振機(jī)理、降低起振溫度具有重要意義。本文從線性熱聲理論推導(dǎo)出了交變流動(dòng)一維控制方程中的粘性和傳熱項(xiàng),對(duì)所有聲學(xué)部件均考慮聲阻、聲慣性、聲容性以及熱弛豫的聲學(xué)效應(yīng),結(jié)合回?zé)崞鞫嗫捉橘|(zhì)的時(shí)域控制方程建立了針對(duì)行波熱聲系統(tǒng)的時(shí)域網(wǎng)絡(luò)模型�；谠撃Ｐ�,對(duì)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的起振特性進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到了動(dòng)態(tài)的壓力波發(fā)展過(guò)程、起振溫度、頻率、品質(zhì)因子以及主要物理參數(shù)的分布特性。結(jié)果表明,回?zé)崞鲀?nèi)的熱弛豫效應(yīng)大大增加了系統(tǒng)耗散,對(duì)熱聲起振過(guò)程具有重要影響。對(duì)起振溫度、頻率和品質(zhì)因子的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明,該模型可較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的起振特性,較好地描述了起振溫度以下熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的聲功產(chǎn)出與耗散特性。該模型便于引入機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件,因而可拓展至多物理場(chǎng)耦合的熱聲系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性模擬。 2.首次開(kāi)展了行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與直線發(fā)電機(jī)組成的雙聲源系統(tǒng)耦合振蕩過(guò)程的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究,揭示了拍頻耦合振蕩的作用機(jī)制,闡明了其振蕩頻率的影響因素和分布規(guī)律。 存在多個(gè)諧振機(jī)構(gòu)的行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)中在一定情況下會(huì)發(fā)生拍頻不穩(wěn)定振蕩現(xiàn)象,使熱聲聲源與機(jī)械振子聲源間發(fā)生周期性的能量傳遞過(guò)程。本文將行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)域網(wǎng)絡(luò)模型與直線發(fā)電機(jī)的時(shí)域動(dòng)力學(xué)模型相耦合,建立了雙聲源系統(tǒng)完整的瞬態(tài)模型。采用直線發(fā)電機(jī)聲源激勵(lì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)聲源獲得了熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)在不同頻率下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和頻率響應(yīng)曲線。計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于激勵(lì)頻率存在明顯的選擇性,偏離其本征諧振頻率時(shí)會(huì)在激勵(lì)初始階段產(chǎn)生拍頻現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上,對(duì)雙聲源系統(tǒng)自由衰減中出現(xiàn)的拍頻振蕩過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,拍頻現(xiàn)象的產(chǎn)生源于強(qiáng)度相當(dāng)?shù)碾p聲源間的博弈,所出現(xiàn)的兩個(gè)相近的頻率分別由熱聲聲源和直線發(fā)動(dòng)機(jī)聲源所控制。隨著加熱溫度上升,熱聲聲源強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),從而占據(jù)主導(dǎo)直至系統(tǒng)趨向熱聲聲源主導(dǎo)的頻率進(jìn)行聲振蕩。改變動(dòng)質(zhì)量、彈簧剛度和諧振管長(zhǎng)度可改變拍頻振蕩頻率但無(wú)法使拍頻消失,兩個(gè)頻率隨這三個(gè)參數(shù)的分布近似為以熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)和直線發(fā)電機(jī)的諧振頻率線為漸近線的雙曲線。該研究成果對(duì)于熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與負(fù)載的匹配設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)作用,對(duì)于實(shí)現(xiàn)包含多聲源的復(fù)雜熱聲系統(tǒng)的工作協(xié)同性和穩(wěn)定性具有重要意義。 3.完整提出了聲阻抗匹配的基本原理,闡明了行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)的匹配機(jī)理,實(shí)現(xiàn)了行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與直線發(fā)電機(jī)的高效匹配。 行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與直線發(fā)電機(jī)間的匹配性對(duì)于熱聲發(fā)電系統(tǒng)的高效熱-聲-電轉(zhuǎn)換至關(guān)重要,然而目前仍缺乏研究以最本質(zhì)的聲阻抗視角系統(tǒng)闡明其匹配機(jī)理和提出實(shí)現(xiàn)聲學(xué)匹配的有效手段。本文基于交流功率電路的阻抗匹配原理,單獨(dú)分析了熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出聲阻抗和直線發(fā)電機(jī)輸入聲阻抗特性,獲得了各自最優(yōu)運(yùn)行工況對(duì)應(yīng)的聲阻抗需求及其調(diào)制措施,實(shí)現(xiàn)了兩者的耦合并達(dá)到聲阻抗匹配狀態(tài),完整提出了聲阻抗匹配的基本思路和實(shí)現(xiàn)手段。結(jié)果表明,改變熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)聲功輸出位置可顯著改變其輸出阻抗特性,從而影響熱聲發(fā)電系統(tǒng)的匹配特性。調(diào)整直線發(fā)電機(jī)的工作頻率、串聯(lián)電容和負(fù)載電阻的大小可顯著改變其輸入聲阻抗,從而可以有針對(duì)性地調(diào)整至熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)所需的最優(yōu)聲阻抗范圍內(nèi),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)聲學(xué)匹配。當(dāng)以3.16MPa的氦氣為工質(zhì),在諧振管處進(jìn)行耦合時(shí),該熱聲發(fā)電系統(tǒng)達(dá)到了聲學(xué)匹配狀態(tài),獲得了最大750.4W的電功輸出和0.163的最高熱電效率。該研究從本質(zhì)上闡明了熱聲發(fā)電系統(tǒng)高效運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一為聲阻抗的良好匹配,為解決熱聲發(fā)電系統(tǒng)甚至熱聲制冷、脈管制冷等聲學(xué)系統(tǒng)的匹配問(wèn)題指明了方向。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM61

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2373524