張海偉,劉家林,鄭學(xué)林

(上海海事大學(xué)商船學(xué)院,上海201306)

0 前 言

熱聲制冷技術(shù)是二十一世紀(jì)全新的制冷技術(shù),在最近的二十年,世界許多的物理學(xué)家和機(jī)械工程師們都致力于研究這種基于熱聲理論的新型熱機(jī)和制冷機(jī),無(wú)論是在理論方面還是工程應(yīng)用方面都取得了突破性的進(jìn)展,許多研究已經(jīng)進(jìn)入到了實(shí)用的商業(yè)化階段。與傳統(tǒng)的蒸汽壓縮式制冷相比,熱聲熱機(jī)具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì):無(wú)需使用污染環(huán)境的制冷劑,而是使用惰性氣體和其混合物作為工質(zhì),因此不會(huì)導(dǎo)致使用CFCs和HFCs產(chǎn)生臭氧層的破壞和溫室效應(yīng)而污染環(huán)境;無(wú)需振蕩的活塞和密封潤(rùn)滑,無(wú)運(yùn)動(dòng)的部件,使壽命大大延長(zhǎng)[1,3,17]。熱聲制冷幾乎克服了傳統(tǒng)制冷的缺點(diǎn),可成為下一代制冷技術(shù)發(fā)展的方向。

長(zhǎng)期以來(lái)熱聲系統(tǒng)效率低的問(wèn)題一直成為熱聲產(chǎn)品實(shí)用化的瓶頸,前期的主要產(chǎn)品也限于使用在軍事領(lǐng)域,由于各國(guó)學(xué)者的不懈努力,近幾年熱聲產(chǎn)品的效率獲得大幅度的提高,尤其是美國(guó)Los-Alamosg國(guó)家實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)潛心的研究,在效率獲得革命性的突破,其熱聲熱機(jī)的效率達(dá)到0.2～0.4,達(dá)到可與現(xiàn)有的傳統(tǒng)的蒸汽壓縮過(guò)程的內(nèi)燃機(jī)和制冷機(jī)相競(jìng)爭(zhēng)的水平。效率的大幅提高為熱聲產(chǎn)品的發(fā)展掃清了最后的障礙,這意味著熱聲裝置商業(yè)化開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。

目前,熱聲制冷的研究主要集中在低溫制冷領(lǐng)域的共振型駐波熱聲制冷機(jī) (-50℃以下)以及熱聲驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī) (80K以下)。事實(shí)上,像脈管制冷機(jī)和Stirling熱機(jī)這類回?zé)崾綗釞C(jī)工作的原理也是熱聲效應(yīng),只是由于最初它們的工作頻率較低(幾赫茲至幾十赫茲),人們一直將準(zhǔn)靜態(tài)、準(zhǔn)平衡態(tài)的回?zé)崾綗崃ρh(huán)分析方法和傳熱學(xué)作為其理論基礎(chǔ)。1990年,熱聲驅(qū)動(dòng)的小孔型脈管制冷機(jī)在Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室問(wèn)世,成為首臺(tái)完全沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件的低溫制冷機(jī),該熱聲脈管制冷機(jī)從根本上消除了常規(guī)制冷機(jī)存在的磨損和震動(dòng),大大提高了制冷機(jī)的無(wú)維修使用壽命。如今,熱聲制冷機(jī)雖然還處在試驗(yàn)樣機(jī)和某些特殊場(chǎng)合應(yīng)用 (如空間技術(shù)方面)的階段,但熱聲制冷因其在穩(wěn)定性、使用壽命、環(huán)保 (使用無(wú)公害的流體為工作介質(zhì))等方面的優(yōu)勢(shì),其在普冷和低溫領(lǐng)域具有巨大的潛力,因而備受關(guān)注[2]。

1 熱聲制冷的基本原理

1.1 熱聲效應(yīng)

圖1 氣體微團(tuán)在聲場(chǎng)中的泵熱過(guò)程示意圖

熱聲制冷的概念是美國(guó)Los Alamodynamicss國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的J.C.Wheatley等人在20世紀(jì)80年代提出的。簡(jiǎn)單地說(shuō),熱聲制冷就是利用熱聲效應(yīng)的制冷技術(shù)。熱聲效應(yīng)是熱與聲之間的相互轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。從聲學(xué)角度看,它是由于處于聲場(chǎng)中的固體介質(zhì)與振蕩流體之間的相互作用,使得距固體壁面一定范圍內(nèi)沿著 (或逆著)聲傳播方向產(chǎn)生的熱流,并在這個(gè)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生或者吸收聲功的現(xiàn)象。按能量轉(zhuǎn)換的方向的不同,熱聲效應(yīng)可分為兩類:一是用熱來(lái)產(chǎn)生聲,即熱驅(qū)動(dòng)的聲振蕩:二是用聲來(lái)產(chǎn)生熱,即聲驅(qū)動(dòng)的熱量傳輸。只要具備一定的條件,熱聲效應(yīng)在行波聲場(chǎng)、駐波聲場(chǎng)以及兩者結(jié)合的聲場(chǎng)中都能發(fā)生[3]。圖1為氣體微團(tuán)在聲場(chǎng)中的泵熱過(guò)程示意圖。

1.2 熱聲振蕩原理

在低溫技術(shù)領(lǐng)域,自從泰克尼斯 (Taconis)在1949年首次觀察到液氮系統(tǒng)中的熱聲振蕩以來(lái),“氦振蕩”對(duì)低溫工作者已不在是陌生的名詞。由于熱聲振蕩總是伴隨大量熱量 (較系統(tǒng)漏熱大一二個(gè)數(shù)量級(jí))的傳輸,因此在多種情況下低溫系統(tǒng)并不希望發(fā)生熱聲振蕩。但相反的例子也屢見(jiàn)不鮮,例如利用熱聲振蕩原理可以測(cè)量液氦面的高度。如果將一根開(kāi)口的細(xì)管深入到液氦容器內(nèi)的液面上,用手指封閉管子的室溫端,就能感受到管內(nèi)氣體自發(fā)產(chǎn)生的振蕩。由此不難發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生氦振蕩的基本條件,就是管子的兩端具有很大的溫度差。研究指出,當(dāng)管子封閉的熱端與開(kāi)口的冷端間的溫度比α=(Th/Tc)＞10時(shí),可能產(chǎn)生熱聲振蕩;當(dāng)溫度比降低到α≤10熱聲振蕩就可以避免。

在一般情況下,為了在細(xì)長(zhǎng)管子上產(chǎn)生更大的溫度梯度,可對(duì)其封閉端進(jìn)行加熱,管內(nèi)氣體受熱后膨脹產(chǎn)生的壓縮力導(dǎo)致氣流運(yùn)動(dòng);波動(dòng)的氣流靠近管壁處的氣團(tuán)不斷地與管壁接觸換熱。由于氣流的急速運(yùn)動(dòng)以及傳熱邊界層粘滯性的存在,氣團(tuán)與管壁的換熱不可能完全,管壁附近的氣體溫度與傳熱邊界層的同平面 (徑向)氣體的溫度分布不同,即導(dǎo)致傳熱滯后現(xiàn)象,存在壓力波與溫度波之間的相位差,激發(fā)了氣體的振蕩?？梢?jiàn),氣流運(yùn)動(dòng)與傳熱之間的相位差是產(chǎn)生熱聲振蕩的必要條件。

若要獲得頗具強(qiáng)度的熱聲振蕩,不能只采用一根大管子就可實(shí)現(xiàn)。因?yàn)楣軆?nèi)的傳熱受傳熱邊界的控制,只有那些接近管壁的氣團(tuán)才參與換熱;采用有許多小管子組成的熱聲發(fā)生器可能有效。但實(shí)際上應(yīng)采用眾多狹道,會(huì)比管子更奏效,因?yàn)楠M道的比表面積更大[6]。

1.3 熱聲制冷的基本原理

圖2所示的是1/4波長(zhǎng)的聲波制冷系統(tǒng)圖和聲波制冷原理圖。

聲波制冷系統(tǒng)包括了4個(gè)基本部件:(1)核心部件-板疊;(2)諧振腔;(3)冷、熱端換熱器;(4)聲波發(fā)生器。

聲波制冷原理的微觀解釋為:設(shè)一個(gè)氣體微團(tuán)在聲波作用下,在平衡位置附近作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在位置a處氣體微團(tuán)溫度為T(mén)1,壓力為p1,從位置a到位置b的絕熱壓縮過(guò)程中,其溫度從T1升高△T到T2,壓力從p1升高 △p到p2。△T和 △p分別為氣體微團(tuán)在絕熱壓縮過(guò)程中的溫升和壓力變化。在位置b處,由于氣體微團(tuán)溫度高于板疊溫度T3,則氣體微團(tuán)在位置b處換熱給板疊 (過(guò)程2-3),溫度變?yōu)門(mén)3。接著,氣體微團(tuán)從位置b到位置a的絕熱膨脹過(guò)程中,其溫度從T3降低 △T′到T4,壓力從p3降低 △p′到p4。△T′和 △p′分別為氣體微團(tuán)在絕熱膨脹過(guò)程中的溫降和壓力變化。到達(dá)位置a時(shí)的溫度變?yōu)門(mén)4。此時(shí)氣體微團(tuán)溫度低于板疊溫度T1,故氣體微團(tuán)從板疊吸熱 (過(guò)程4-1),溫度變?yōu)門(mén)1,從而完成一個(gè)熱力循環(huán)。在這個(gè)循環(huán)中,微團(tuán)在高壓時(shí)放熱后膨脹,在低壓時(shí)吸熱后壓縮,從而吸收聲波能量,將能量從低溫端泵至高溫端,實(shí)現(xiàn)了制冷的目的[5]。

圖2 聲波制冷系統(tǒng)和原理圖

2 熱聲制冷最新研究進(jìn)展

在熱聲制冷和熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)得到了迅速的發(fā)展的同時(shí),無(wú)論是熱聲理論的研究還是熱聲機(jī)械的研究都同樣取得了很大的進(jìn)步。

2.1 熱聲制冷理論最新進(jìn)展

2.1.1 非線性熱聲理論

線性熱聲理論已經(jīng)相當(dāng)成熟,并已用于熱聲熱機(jī)的開(kāi)發(fā)研究,但對(duì)于高聲強(qiáng)下才能有效工作的熱聲機(jī)器,聲波中的強(qiáng)大諧波使得線性假設(shè)存在很大的誤差[11,16],于是非線性理論開(kāi)始得到關(guān)注。

(1)國(guó)內(nèi)部分

南京大學(xué)聲學(xué)研究所的韓飛等人對(duì)Rijke管內(nèi)的非線性效應(yīng)進(jìn)行了比較深入的研究。通過(guò)流體力學(xué)中的三個(gè)基本方程得出了管內(nèi)聲學(xué)量之間的關(guān)系,通過(guò)熱聲相互作用的非線性關(guān)系式和管口聲波的非線性反射條件,發(fā)展了一種可以計(jì)算出管內(nèi)聲波從小擾動(dòng)增長(zhǎng)到大幅振蕩,直到由于非線性效應(yīng)的影響而停止增長(zhǎng)的全過(guò)程的方法。指出了Rijke管內(nèi)引起非線性效應(yīng)的兩個(gè)因素,即熱聲非線性相互作用和聲波在管子末端的非線性輻射聲阻,并通過(guò)計(jì)算聲波的增長(zhǎng)率和實(shí)驗(yàn)分析聲波的頻譜,發(fā)現(xiàn)非線性效應(yīng)限制了管內(nèi)聲波振幅的增長(zhǎng),并且導(dǎo)致了二次高階諧波的產(chǎn)生。

西安交通大學(xué)的劉繼平等人在研究管內(nèi)受熱氣體層流流動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn):由于氣體密度隨溫度增加而減少,動(dòng)力粘度和導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度增加而增加,故在一定的加熱條件下,加熱管內(nèi)會(huì)形成壓力與流量關(guān)系的奇異性,產(chǎn)生不穩(wěn)定性。他們認(rèn)為這是Rijke管振蕩的原因所在。浙江大學(xué)的歐陽(yáng)錄春等人在此基礎(chǔ)上,用簡(jiǎn)化的理論分析對(duì)駐波熱聲系統(tǒng)的起振機(jī)理也做了初步的研究。

對(duì)于熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)起振的非線性飽和過(guò)程,中國(guó)科學(xué)院理化所的李青老師領(lǐng)導(dǎo)的研究小組也進(jìn)行了一些有意義的研究。他們首先對(duì)熱聲諧振管非線性效應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)觀察,然后他們?cè)陬l率和擬相空間中描述了斯特林熱聲熱機(jī)系統(tǒng)中形成熱聲自激振蕩的過(guò)程,并且用最大Lyapunov數(shù)量化了壓力信號(hào)的相空間軌跡的變化過(guò)程,用指數(shù)隨時(shí)間的變化從理論上解釋實(shí)際系統(tǒng)的物理變化過(guò)程。他們還用熱力學(xué)網(wǎng)絡(luò)分析方法對(duì)起振過(guò)程進(jìn)行了研究,對(duì)系統(tǒng)的演化過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)建模獲得了基本網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并提出了參數(shù)激勵(lì)機(jī)理,從理論上對(duì)系統(tǒng)的演化進(jìn)行了初步論證,認(rèn)為熱聲熱機(jī)其回?zé)崞鲗?shí)際就是一個(gè)由聲感和流容構(gòu)成的儲(chǔ)能部件——諧振器,聲感對(duì)于維持系統(tǒng)起振起到了舉足輕重的作用,聲感是實(shí)現(xiàn)并維持熱聲轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵的時(shí)變網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。提出了定量判據(jù)系統(tǒng)工作能力的指標(biāo)調(diào)制度。

關(guān)于回?zé)崞髟诰哂写笳穹▌?dòng)情況下的弱非線性熱聲動(dòng)力學(xué)模型也有研究。中國(guó)科學(xué)院理化所的羅二倉(cāng)研究員采用攝動(dòng)方法在唯象的基礎(chǔ)上獲得了能描述聲流 (直流)在內(nèi)的非線性動(dòng)力學(xué)效應(yīng)及由此而導(dǎo)致的非線性時(shí)均熱聲動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的局部解析方程組,對(duì)加深回?zé)崞鞴ぷ鳈C(jī)理的理解具有一定的指導(dǎo)意義。

另外在最近的ICEC20會(huì)議上獲悉,清華大學(xué)的陳宇、張曉青等人把 “格子氣”方法應(yīng)用于熱聲系統(tǒng)起振過(guò)程的模擬,獲得非常滿意的結(jié)果[11]。

(2)國(guó)外部分

美國(guó)弗吉尼亞Yurii A.Ilinskii從理想氣體 (但考慮了粘性)的基本動(dòng)力學(xué)方程出發(fā)獲得了用來(lái)分析諧振管內(nèi)非線性駐波的一維模型。給出了諧振管圓柱型、喇叭型、氣泡型諧振管非線性頻譜方程數(shù)值積分的結(jié)果,理論描述了與振蕩幅值相關(guān)的頻率跳變,滯后效應(yīng)、波形扭曲等現(xiàn)象,揭示了諧振的加強(qiáng)與減弱對(duì)諧振管形狀的依賴關(guān)系。

韓國(guó)Young-Doo Chun定義了一個(gè)衡量壓力波非線性程度的物理量——非線性能量比 (nonlinear energy ratio)。非線性能比能夠描述能量向高階諧波的傳遞,對(duì)設(shè)計(jì)諧振管形狀有一定的指導(dǎo)意義。

法國(guó)V.Gusev的工作得到了描述熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)起振過(guò)程的非線性演化方程。分析表明,在不均勻的熱聲板疊中,如果聲波和熱波是準(zhǔn)絕熱作用的,則聲波放大正比于頻率的平方根或者是依賴于Kramer常數(shù)值。通過(guò)將聲波在非均勻介質(zhì)中的傳播和反射微分方程轉(zhuǎn)換為等價(jià)的第二類Volterra積分方程(Volterra積分方程可以通過(guò)迭代的方法獲得收斂的準(zhǔn)確解)獲得了對(duì)熱聲板疊頻譜特性的解析描述。演化方程包括對(duì)應(yīng)于非線性過(guò)程的準(zhǔn)線性微分項(xiàng),獲得了激波前沿形成時(shí)間,波幅穩(wěn)定特征時(shí)間,穩(wěn)定波動(dòng)特征幅值以及他們對(duì)板疊加熱條件的依賴性。

加拿大Bauwens研究的系統(tǒng)如下:伴隨大的壓力振蕩的有限循環(huán),壓力振蕩由在管端給定相位的速度而獲得,其頻率比聲學(xué)本征頻率低,掃過(guò)的長(zhǎng)度可與管長(zhǎng)相比較。管兩端的溫差人為給定,流體內(nèi)橫截面方向傳熱效果好,管壁熱容很大。幾何空間為二維,軸對(duì)稱,流體內(nèi)部、流體與管壁、管壁內(nèi)部存在導(dǎo)熱。攝動(dòng)解獲得了軸向溫度、壓力和焓流分布。提供了兩端和一端封閉的結(jié)果,后者在封閉端溫度出現(xiàn)奇異。對(duì)于兩端開(kāi)口的管子,當(dāng)兩端質(zhì)量流反相時(shí),管內(nèi)速度節(jié)點(diǎn)處溫度會(huì)出現(xiàn)奇異,對(duì)這些奇異的穩(wěn)定性做了研究。還指出用一維的方法和經(jīng)驗(yàn)的對(duì)流換熱系數(shù)所得到的結(jié)果僅適用于管道大于熱邊界層的情況。他們還成功應(yīng)用多重時(shí)間尺度法對(duì)一端封閉、另一端輸入速度波的圓管內(nèi)流動(dòng)和換熱進(jìn)行了二維求解[11]。

2.1.2 構(gòu)型理論

20世紀(jì)末,美國(guó)Duke大學(xué)Bejan教授提出構(gòu)形理論[7.8]。該理論源于自然界中的各種系統(tǒng)和組織 (包括生命系統(tǒng)和非生命系統(tǒng)),對(duì)于分析各類生命和非生命系統(tǒng),指導(dǎo)實(shí)際工程裝置,研究各種廣義熱力學(xué)過(guò)程均具有重大意義,眾多學(xué)者對(duì)構(gòu)型理論表現(xiàn)出了濃厚的興趣,進(jìn)行了大量的研究,取得了豐碩的成果,該理論涉及的領(lǐng)域包括傳熱傳質(zhì)、流體流動(dòng)、電磁、交通運(yùn)輸、管道網(wǎng)絡(luò)、風(fēng)化干燥、經(jīng)濟(jì)決策、氣候預(yù)測(cè)、生命體組織和器官研究等,由理論分析和計(jì)算得到了許多符合實(shí)際的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

闞緒獻(xiàn)、吳鋒、張曉青、郭方中和楊志春對(duì)給定熱聲制冷機(jī)中平板型回?zé)崞鞯臋M截面積,利用構(gòu)型理論對(duì)最優(yōu)平板間距進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),導(dǎo)出了最優(yōu)平板間距及最優(yōu)平板數(shù)的解析式,通過(guò)數(shù)值算例得到了最優(yōu)平板間距和最優(yōu)平板數(shù)與平板厚度和角頻率等參數(shù)的關(guān)系,所得結(jié)論對(duì)于熱聲制冷機(jī)回?zé)崞鞯膬?yōu)化設(shè)計(jì)有一定的理論指導(dǎo)意義[9,18]。

2.2 熱聲制冷實(shí)驗(yàn)進(jìn)展

2.2.1 國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)展

我國(guó)研究熱聲制冷的主要單位有華中科技大學(xué)、中科院理化技術(shù)研究所、西安交通大學(xué)及內(nèi)蒙古科技大學(xué)等。我國(guó)熱聲制冷的研究雖起步較晚,但發(fā)展很快,在實(shí)驗(yàn)研究上有特色,但在研究經(jīng)費(fèi)方面略顯不足。近幾年主要研究如下[1]:

2007年中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所胡劍英、戴巍、羅二倉(cāng)在脈沖管制冷機(jī)調(diào)相機(jī)構(gòu)的研究中指出,在慣性管已為脈沖管制冷機(jī)提供了所需最佳阻抗時(shí),雙向進(jìn)氣不能提高脈沖管制冷機(jī)的性能,只有在慣性管沒(méi)有為制冷機(jī)提供所需的最佳阻抗時(shí),雙向進(jìn)氣模式才能發(fā)揮積極作用[1,4,19]。圖3所示為中國(guó)科學(xué)院理化研究所所設(shè)計(jì)的單級(jí)雙向進(jìn)氣型脈沖管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 單級(jí)雙向進(jìn)氣型脈沖管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

胡鵬、李青等對(duì)微型熱聲制冷機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究,研制了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)PZT聲驅(qū)動(dòng)器,諧振管結(jié)構(gòu)中加入了漸縮錐管后空管,研制的微型熱聲制冷機(jī)在運(yùn)行頻率 2.2kH時(shí),平均壓力從0.5MPa到2.1MPa之間進(jìn)行了一系列工況試驗(yàn),得到了最大溫降12.3℃,最大溫差31℃,均達(dá)到同類機(jī)型目前報(bào)道的最佳性能[1,9]。圖4所示為胡鵬、李青進(jìn)行試驗(yàn)研究的微型制冷機(jī)示意圖。

圖4 微型制冷機(jī)示意圖

2008年浙江大學(xué)制冷與低溫研究所裘圓、陳國(guó)邦等研究了慣性管對(duì)熱聲驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)性能的影響,通過(guò)選擇合適的慣性管結(jié)構(gòu)參數(shù),在加熱功率為1.8 kW條件下,脈管制冷機(jī)的無(wú)負(fù)荷制冷溫度達(dá)到63.0 K。圖5所示即為慣性管熱聲驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。湯珂、黃忠杰等研究了40 K溫區(qū)駐波型熱聲驅(qū)動(dòng)兩級(jí)脈管的制冷特性,研制出了1臺(tái)高頻兩級(jí)脈管制冷機(jī)與駐波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配。加熱功率為2.0 kW,平均工作壓力為2.8MPa時(shí),壓力波振幅和壓比分別達(dá)到 0.223MPa和1.174,獲得41.2K的制冷溫度[1]。

2008年西安交大黃競(jìng)、何雅玲、李茹對(duì)熱聲制冷機(jī)板疊內(nèi)流動(dòng)與換熱進(jìn)行了數(shù)值分析,采用基于壓力修正算法的可壓縮交變流動(dòng)程序,分析了最佳板疊厚度使得冷熱端的溫差達(dá)到最大[1]。

2010年中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所余國(guó)瑤、羅二倉(cāng)、戴巍、胡劍英、吳張華利用CFD方法成功的對(duì)高頻駐波發(fā)動(dòng)機(jī)和熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)分別進(jìn)行了軸對(duì)稱和三維的數(shù)值模擬,這對(duì)于了解實(shí)際系統(tǒng)的聲場(chǎng)和流場(chǎng)特性并進(jìn)一步提高熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的性能具有重要的意義。計(jì)算結(jié)果觀測(cè)到了非線性的自激振蕩演化過(guò)程,給出了兩種發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部截然不同的聲場(chǎng)特性,計(jì)算結(jié)果也捕捉到存在于熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的非線性熱聲聲流現(xiàn)象。此外,計(jì)算結(jié)果顯示了板疊和三通處的復(fù)雜流動(dòng),計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了CFD的有效性[20]。

2.2.2 國(guó)外實(shí)驗(yàn)進(jìn)展

最近幾年各國(guó)的實(shí)驗(yàn)室研究成果主要如下:

2006年法國(guó)國(guó)家科研中心制作了1臺(tái)能調(diào)節(jié)駐波比率的熱聲諧振裝置,可以簡(jiǎn)單和獨(dú)立地控制聲壓場(chǎng)和質(zhì)點(diǎn)速度場(chǎng),通過(guò)優(yōu)化板疊區(qū)域的聲場(chǎng)研究,找到諸如溫度梯度、傳熱性能和傳熱系數(shù)最佳匹配關(guān)系,以達(dá)到熱聲制冷系統(tǒng)性能的優(yōu)化[1]。

2007年法國(guó)里昂中央理工學(xué)校用PIV(粒子圖像測(cè)速儀)觀測(cè)大振幅下熱聲系統(tǒng)中的流體,發(fā)現(xiàn)在熱聲堆和換熱器的間隙處有渦街現(xiàn)象,造成聲周期的不連續(xù),指出流動(dòng)的非周期性導(dǎo)致?lián)Q熱器和熱聲堆傳熱的不穩(wěn)定,進(jìn)而系統(tǒng)的冷負(fù)荷也會(huì)發(fā)生波動(dòng)。法國(guó)國(guó)家科研中心設(shè)計(jì)了一臺(tái)諧振裝置,可以適應(yīng)不同駐波比,獨(dú)立控制聲壓和質(zhì)點(diǎn)速度,以尋求最優(yōu)聲場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示最優(yōu)聲場(chǎng)并不是通常認(rèn)為的半波長(zhǎng)諧振管[21]。

2007年美國(guó)普渡大學(xué)用DELTAE程序模擬雙駐波熱聲制冷機(jī)配置以找到板疊冷熱端換熱器溫差的最佳跨度,以使傳熱系數(shù)增大,研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)冷熱端換熱器溫差達(dá)到80℃時(shí)為最佳跨度。研究結(jié)果和能耗顯示系統(tǒng)效率適宜于制冷機(jī),但對(duì)空調(diào)和低溫冷卻效果不好[1]。

2007年美國(guó)南伊利諾伊大學(xué)對(duì)熱聲傳熱和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,研究揭示了傳熱系數(shù)、平均壓力和振動(dòng)頻率之間的關(guān)系,當(dāng)熱聲系統(tǒng)在一個(gè)合適的振動(dòng)頻率下,平均壓力越大,傳熱系數(shù)越大,所以在提高傳熱系數(shù)的同時(shí),要合理考慮板疊結(jié)構(gòu)[1]。

2008年荷蘭能源研究中心制作了1臺(tái)同軸熱聲斯特林制冷機(jī) (圖6所示為模擬結(jié)構(gòu)圖),由直線電機(jī)產(chǎn)生聲功率驅(qū)動(dòng),通過(guò)再生器將熱量從冷端換熱器泵給環(huán)境,測(cè)得性能系數(shù)達(dá)到卡諾效率的25%,溫度達(dá)到-54℃[1]。

圖6 待模擬的二維同軸熱聲斯特林制冷機(jī)

2008年Backhaus針對(duì)大型熱聲斯特林機(jī)技術(shù)上障礙,突破常規(guī)換熱器的限制,設(shè)計(jì)了新型換熱器,在環(huán)形圈中加入流體二極管,系統(tǒng)由熱機(jī)自身振蕩所產(chǎn)生的壓力驅(qū)動(dòng)。

英國(guó)倫敦帝國(guó)理工大學(xué)的Keith Pullen教授和Ron Dennis正在負(fù)責(zé)的熱聲灶項(xiàng)目。項(xiàng)目時(shí)間為2007年到2012年。傳統(tǒng)木材爐灶燃燒能量利用效率只有7%,熱聲灶目標(biāo)效率30%以上。該熱聲灶既節(jié)能又環(huán)保,可以加熱和冷卻食物,應(yīng)用前景廣闊,有望在亞洲和非洲的鄉(xiāng)村得到實(shí)用化的發(fā)展[15]。熱聲灶的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 熱聲灶結(jié)構(gòu)示意圖

3 熱聲制冷的研究熱點(diǎn)及發(fā)展展望

熱聲理論及熱聲機(jī)械的發(fā)展遇到了技術(shù)成熟的傳統(tǒng)熱機(jī)的競(jìng)爭(zhēng),必然需要更多的科研工作者為此付出努力。把熱聲作為新興技術(shù)的興趣在增加,如生物醫(yī)學(xué)和替代的制冷系統(tǒng)。熱聲理論和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展使得熱聲技術(shù)具有廣闊的前景發(fā)展為商業(yè)的制冷技術(shù)。熱聲技術(shù)無(wú)論在理論還是在實(shí)驗(yàn)方面,這幾十年取得了很大的進(jìn)步,在這里歸納幾點(diǎn)當(dāng)前以及今后一段時(shí)間的研究熱點(diǎn)方向[15]:

(1)小振幅的線性熱聲理論已經(jīng)趨于完備,對(duì)于非線性情況的建模和理論研究還有很多的空白有待填補(bǔ),包括熱聲自激振蕩過(guò)程、熱聲聲流、非線性聲波傳輸?shù)取Ｆ诖痪玫膶?lái)出現(xiàn)完善的非線性熱聲學(xué)理論;

(2)對(duì)于熱聲核心段換熱器和板疊的傳熱機(jī)理有待更深入的研究。可以結(jié)合先進(jìn)的熱物理測(cè)試技術(shù) (熱線風(fēng)速儀、激光多譜勒測(cè)速儀以及粒子成像測(cè)速儀等);

(3)熱聲熱機(jī)同時(shí)向高頻和低頻兩個(gè)方向發(fā)展,體積在大型化和微型化方面都有發(fā)展,更趨于微型化的研究。大型化的用于實(shí)用化的工程,微型化的用于紅外器件冷卻、電子器件冷卻等;

(4)對(duì)新型熱聲熱機(jī)樣機(jī)以及新型的換熱器的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā);

(5)拓寬熱聲技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域,如低溫廢熱源利用、太空探測(cè)以及熱聲醫(yī)學(xué)成像和熱聲通訊等。

對(duì)我國(guó)而言,一方面要加強(qiáng)研究工作,保持與世界同步,如在熱聲制冷機(jī)系統(tǒng)如何調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)頻率搭配本身結(jié)構(gòu)參數(shù)以達(dá)到制冷效果最佳,如何設(shè)計(jì)制冷器的尺寸更精致小巧,以達(dá)到微電子原件芯片制冷要求,還有很大研究空間。另一方面,還要多利用自身優(yōu)勢(shì)發(fā)展,如內(nèi)蒙古科技大學(xué)這些年致力于磁致伸縮材料制作的換能器驅(qū)動(dòng)熱聲制冷,可充分利用我國(guó)稀土資源優(yōu)勢(shì)。用磁致伸縮換能器有效地利用了稀土材料應(yīng)變值高、能量密度大、響應(yīng)快、精度高、頻帶寬、可靠性好等優(yōu)點(diǎn),用其驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)不僅效率高,而且使熱聲制冷機(jī)的尺寸結(jié)構(gòu)具有很大的靈活性,通過(guò)改變其工作頻率就可方便地達(dá)到小型輕量化要求。但同時(shí)由于材料壽命方面的因素,也有不少困難,是今后課題的一項(xiàng)研究方向。

4 結(jié)論

熱聲技術(shù)的應(yīng)用是相當(dāng)豐富的,熱聲能量轉(zhuǎn)換技術(shù)將會(huì)給包括制冷工業(yè)在內(nèi)的整個(gè)能源工業(yè)帶來(lái)很大的影響,它的簡(jiǎn)單、環(huán)保、節(jié)能高效的特性符合當(dāng)今時(shí)代的需要,有人曾大膽預(yù)言,熱機(jī) (包括制冷機(jī))的未來(lái)是屬于綠色熱聲熱機(jī)的。當(dāng)然就目前的現(xiàn)狀而言,由于設(shè)計(jì)水平遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到最優(yōu)化的程度,材料的選擇及制造技術(shù)都還在完善之中,而普通的制冷系統(tǒng)經(jīng)過(guò)上百年的發(fā)展和改進(jìn),熱聲制冷單件的成本會(huì)高于普通傳統(tǒng)制冷裝置,但隨著材料的選擇和制造工藝的日趨成熟,可以肯定熱聲制冷機(jī)會(huì)具有極大的成本優(yōu)勢(shì)。熱聲制冷裝置最有可能首先在這些中小型和微型裝置中獲得市場(chǎng)應(yīng)用份額,如應(yīng)用于冰淇淋機(jī)、飲水機(jī)、家用冰箱、空調(diào)機(jī)、計(jì)算機(jī)微處理器等制冷中,所存在的巨大應(yīng)用市場(chǎng)是顯而易見(jiàn)的。

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