設計并搭建了一臺三級行波熱聲發(fā)動機,并基于線性熱聲理論和實驗研究分析了該熱聲發(fā)動機的聲場特性。結(jié)果表明:理論計算中各級加熱功率相同時,發(fā)動機聲場對稱;而實驗中加熱功率相同時聲場存在不一致性,需要輸入特定的加熱功率來控制三級加熱溫度基本相同,從而保證三級聲場基本對稱,此時相鄰兩級對應位置的壓力相位差在120°±10°范圍內(nèi);隨著充氣壓力和加熱溫度的升高,系統(tǒng)工作頻率略有升高,變化不顯著,系統(tǒng)壓力振幅和壓比則增大明顯。以氮氣和氦氣為工質(zhì)時,工作頻率分別在20 Hz和55 Hz左右;實驗中壓比分別達到了1.28和1.18。 

【文章來源】：聲學學報. 2020,45(03)北大核心EICSCD

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【部分圖文】：

圖８以氦氣為工質(zhì)時，壓力波頻譜分析??

態(tài)，由于傳熱過程??的非線性效應，當速度振幅小干平均流速時，速度振??幅會逐漸增加并逐漸達到一階模態(tài)的飽和；約速度??振幅大干平均流速時，在一個振蕩周期內(nèi)管內(nèi)流速??出現(xiàn)反向，激發(fā)新的不穩(wěn)定傳熱雖，形成高階的聲學??模態(tài)，產(chǎn)生高次諧波，而氦氣的流速遠高寧氮氣，速??度振幅增大到大于Ｔ均流速的難度更大，因此與氮??氣相比，其出現(xiàn)二次諧波的可能性更低。??２．３聲場分布??以氮氣或氮氣為工質(zhì)時，熱聲發(fā)動機的聲場分??布規(guī)律基本相似。因此以氦氣為例，分析其聲場分布??情況。??圖９給出了在２?ＭＰａ充氣壓力，３２ＣＴＣ的加熱??溫度下，以氦氣為工質(zhì)時計算得到的熱聲發(fā)動機聲??場分布情況，包括沿程的壓力振幅分布、體積流率??振幅分布、壓力與體積流率的相位差分布及聲功流??分布，其中圖中豎直的灰色Ｋ域為回熱器段。計算結(jié)??果中三級行波熱聲發(fā)動機各級加熱功率均在２７００?Ｗ??左右，且各級聲場對稱分布。其中熱聲核處的壓力振??幅相對較大，體積流率相對較小，聲功在回熱器處得??到放大；諧振管處的壓力振幅相對較小，體積流率相??對較大，聲功出現(xiàn)了部分損耗。以回熱器為例，壓力??振幅在回熱器內(nèi)由２４３．７?ｋＰａ減小到２０７．４?ｋＰａ，而體??積靡率振幅從〇．〇１碗ｒｏｓ／ｓ増大到了?０．０２部ｍ３／Ｓｉ壓??力與體積流率相位差從－２〇ｐ變化到了?－聲??功則從２１５１．７?Ｗ增大到了?３２５５４?Ｗ？可見由于回??熱器內(nèi)的黏性損失，壓力振幅有所減小，但隨著靠??０?１２３４５６７８９?１０?１１?１２??Ｚ（ｍ）??圖９以氦氣為工質(zhì)時熱聲發(fā)動機的聲場分布??０（５（０（５（０（５（??３?２?

其??效率變化不大。不過這并不代表聲場不一致性沒有??影響，當各級不一致性過大時，會影響到熱聲發(fā)動機??的實際應用。如用該熱聲發(fā)動機驅(qū)動直線發(fā)電機發(fā)??電，各級存在明顯不一致性時，將導致各級直線發(fā)電??機的選型和最優(yōu)工況有所不同。??在各熱聲單設計結(jié)構(gòu)參數(shù)相同前提下，在??ＤｄｔａＥＣ模型中，各級加熱功率．不同導致加熱溫度??不同，聲場出現(xiàn)不一致性，而各級加熱功率相同時??聲場對稱；而在實驗．中，各級加熱功率相同時，各錁．??加熱溫度仍然可能不同，聲場仍會出現(xiàn)不一致性。??圖１２（ａ）和圖１２（ｂ）分別給出了以氮氣和氦氣為工質(zhì)??時，實驗中三級加熱溫度升高時分別需要的加熱功率??的大校由圖可得．，竺級加熱器在相同加熱功率下達．??到的加熱溫度不一致。如以氣氣為工質(zhì)時，若保持三??級加熱功率均為１９３．３?ＷＴ則一級加熱溫度在３９９°Ｃ，??二級加熱溫度在３２（Ｔａ三級加熱溫度在３４ＩＴＣ，仝級??加熱溫度明顯不同，從而導致熱聲發(fā)動機各級之間??的壓力波動、體積流率等會出現(xiàn)較大差別，聲場出現(xiàn)??不一致性，如圖１３所示。圖１３給川了在２?ＭＰａ的??充氣壓力下，Ｐ２，?Ｐ３和Ｐ４處壓力振幅隨加熱功率??的變化趨勢。無論工質(zhì)為氮氣還是氦氣，同一加熱功??率下，Ｐ２、Ｐａ和Ｐ４的壓力振幅均不相同，且差別較??大，最高相對誤差在３０％以上．如以氦氣為工質(zhì)，??單級加熱功率在２：４００?Ｗ左右時，Ｐ２處的壓力振幅??為＿２１６４?ｋＰｇ，?Ｍ處的壓力振幅為１＿，１?．ｋＰａ，．：ｐ４處??１５０??０?０．５?１．０?１．５?２．０?２．５?３．０??加熱功率（脫〇??（ｂ）氦氣??圖１２實驗中三級加熱溫度和

【參考文獻】：
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本文編號：3444730