| 题名 | 声学双作用热驱动热声制冷系统的理论与实验研究 |
| 答辩日期 | 2015 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 罗二仓 |
| 关键词 | 热声发动机 脉管制冷机 声学双作用 谐振管损失 CFD模拟研究 |
| 学位专业 | 博士 ; 制冷及低温工程 |
| 中文摘要 | 热声发动机和脉管制冷机具有寿命长、高可靠性、工质环保和潜在效率高等优点，用热声发动机驱动脉管制冷机可以构成完全无运动部件的制冷系统。本文提出了一种新型的环路声学双作用热驱动热声制冷系统，这种新型的结构既解决了以往行波发动机谐振管尺寸过大、功率密度低等缺点，又能通过尺寸的调整和更多级数的串联获得更大的制冷量，具有较高的科研价值和广阔的应用前景。本文对此新型热声制冷系统开展了以下理论与实验研究。 1、新型声学双作用热驱动热声制冷系统的理论研究 通过一维热声软件DeltaEc对构建的系统进行数值分析，首先确定出制冷机接入位置对系统性能的影响，然后对系统内部声场的分布展开研究，分析了增大热声核心部件与谐振管截面积比带来的优点。在热端温度维持923K，冷头温度130K时，每个单元结构中发动机热端需输入3134.7W加热量，制冷机能够获得170.4W制冷量，整机制冷量约510W，整机相对卡诺热效率达到10.8%，这对于热驱动热声制冷是一个相当大的突破。随后也分析了由此系统演化而成的多级声学双作用热驱动热声制冷系统性能，当在环路中串联更多单元后能够获得更大的制冷量，在大冷量场合有着广阔的应用前景。最后分析了系统的?损失，找到损失最大的部件。 2、新型声学双作用热驱动热声制冷系统的实验研究 根据理论上计算出的结构尺寸，搭建了声学双作用热驱动热声制冷系统实验平台。首先对无负载情况进行研究，着重考查了直流对系统性能造成的影响，在隔绝了直流之后系能性能能得到大幅提升。然后对带负载即接入制冷机情况进行研究，考查了仅接入单台制冷机以及接入三台制冷机的性能，并且在三台制冷机都接入的情况下对不同工况下工作性能展开了深入的研究，充气压力越高，发动机加热器热端温度越高时，能够获得更高的制冷量及更高的效率。最终在3.5Mpa充气压力，加热器热端温度650℃时获得了最佳的实验效果，制冷机最低温能够达到76K，在冷头温度为130K时能够获得制冷量100W，整机相对卡诺效率为3.5%。 3、新型声学双作用热驱动热声制冷系统部件损失及CFD分析 声学双作用热驱动热声制冷系统的创新点之一在于增大了回热器与谐振管的截面积之比，从而降低回热器处的气体流速，但这样带来的弊端就是在降低气体在回热器内流速的同时增大了气体在谐振管内的流速，而且带来了不可避免的突变截面连接，又由于制冷机的连接方式会带来气体流向的突变，这样在气体流速提高的情况下会造成较大的声功损失。本文搭建了实验台有针对性的测试了谐振管内的声功损失，测试了突变截面声功损失，测试了三通连接处声功损失，定量的了解声功损失大小，并且提出改进措施，而这部分工作在之前的研究中较少涉及，对下一步改进有重要的指导意义。作为理论支撑，采用CFD对测试平台均进行了模拟计算，通过反复修改验证确定了CFD模拟最为准确的计算模型，能够与实验测试吻合的较好。 4、新型声学双作用热驱动热声制冷系统整机CFD模拟 声学双作用热驱动热声制冷系统涉及到复杂的交变流动，同时又是热驱动制冷系统，存在自激起振过程；又由于系统中存在较多变截面连接，并且制冷机通过三通连接，存在气流方向的突变；此外由于系统构成一个闭合环路，会不可避免的产生Gedeon环路直流，因此采用CFD对声学共振制冷系统进行分析是有效途径。在CFD无负载模拟部分，对各种模型进行了对比分析，分析了系统中换热器分别采用多孔介质模型和环形等效模型的计算效果，考查了对谐振管分别采用不同换热系数下的工作状况，研究了整机系统中有无添加直流抑制模型对系统性能的影响，综合对比之后选出了最为准确的系统计算模型，并利用该模型对带有制冷机负债的声学共振系统进行CFD分析计算，能够与实验测量符合较好。 通过对CFD的模型计算，证明了CFD能够成为热声学中准确的模拟工具，为今后针对热声系统展开模拟，对热声系统性能做出准确的预测打下了基础。 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://202.127.2.71:8080/handle/181331/11313]  |
| 专题 | 上海技术物理研究所_全文传递文献库_qwcd 学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | . 声学双作用热驱动热声制冷系统的理论与实验研究[D]. 中国科学院研究生院. 2015. |
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