摘要
热声发动机驱动的脉冲管制冷机是一种完全没有运动部件的新型制冷机，由于其具有结构简单、运行可靠、使用寿命长、无污染等诸多优点，倍受学术界和工业界的关注。近年来，随着航天工业和国防工业对小型低温制冷机需求的日益增长，如何实现热声驱动器的小型化就成为迫切需要解决的问题。为了有效提高小型斯特林型热声发动机波动压力幅值、降低热声驱动脉冲管制冷机的制冷温度，本文针对以下几个方面开展了理论和实验研究工作：
1．从线性热声理论入手，定性分析了回热器流压相位差以及阻抗对声功沿程变化率的影响，确立了相位和阻抗联合调节的设计原则。
2．小型斯特林热声发动机的数值模拟和计算分析。建立小型高频斯特林型热声发动机的线性理论模型，在此基础上，对斯特林型热声发动机内的声场分布，包括波动压力、体积流率、流压相位差、温度以及声功流等的分布进行了数值模拟，对此类发动机内的声场分布有了更为深入的认识；分析了系统各元件径向尺寸对于系统谐振频率以及性能的影响，计算结果表明，谐振管内径的变化对于小型斯特林热声发动机的谐振频率以及性能具有十分重要的影响，适当减小谐振管的径向尺寸，能够有效降低整机的谐振频率，减小回热器处由于速度过大造成的粘性损失，提高系统波动压力幅值，这对于热声斯特林发动机的小型化具有重要的指导意义；从阻抗和相位的角度分析了运行参数包括加热量和充气压力对于系统性能的影响，指出在设计过程中，运行参数必须结合结构参数进行综合考虑才能够在回热器处获得最佳的阻抗和相位差，从而实现系统性能的最优。
3．在计算及试验的基础上，设计并建立了一台氦气工质的小型斯特林热声发动机，总体尺寸为690×260mm，总重量不超过5Kg。通过回热器优化、谐振管管径调节、改变运行参数等实验手段，当充气压力为2.5MPa，加热量为700W的时候可以获得2.71Bar的最大压力峰峰值，压比达到了1.115，此时系统的谐振频率为282Hz，成功突破了高频小波动压力幅值的瓶颈。
4．建立了一个简单的热声发动机--负载的集总网络模型，分析结果表明，热声发动机与负载之间是相互影响，相互制约的，负载的加入，会引起热声发动机加热器的温度和压力波动幅值的变化，这种变化反过来又会对负载的性能产生影响；分析了发动机和负载之间的连接管在系统耦合中的重要作用，初步总结了热声发动机与负载的耦合关系；对惯性管的相位以及阻抗的调节功能进行了定性的分析，强调了惯性管对阻抗的调节能力。
5．基于线性热声理论，本文首次将斯特林热声发动机和惯性管调相的脉冲管制冷机作为一个整体进行数值模拟，重点模拟分析了蓄冷器的长度、脉冲管的长度和内径、制冷机换热器的目数和长度、制冷机惯性管的长和内径以及连接管的长度和内径对于制冷机性能的影响。同时也分析了热声发动机的结构参数以及运行参数的变化对制冷机的影响。
6．根据模拟计算结果，对热声驱动脉冲管制冷机进行了实验优化。重点优化了惯性管的长度和内径以及连接管的长度，同时也对热声发动机的谐振管以及工作压力进行了优化。当发动机谐振管内径为20mm，回热器目数为200，制冷机连接管长度为350mm，惯性管的内径为2mm，长度为200mm的时候，在以2.5Mpa的氦气为工质，加热功率为600W的情况下，得到了147.3K的最低制冷温度。在实验中还发现，制冷机与发动机之间安装一个球阀对热声驱动脉冲管制冷机的起振温度具有重要影响，关闭双向进气阀可显著降低热声系统的起振温度。采取在球阀气阀关闭状态启动热声发动机加热器，系统起振后再缓慢打开球阀的操作方式，既不影响脉冲管制冷机的正常降温，又可实现较低的起振温度，有利于利用低品位热源作为驱动热源。
关键词:热声学，高频热声发动机，斯特林，小型化，脉管制冷机,耦合
目录
摘要...................................................................................................................................I
Abstract............................................................................................................................III
1绪论................................................................................................................................1
1.1课题研究背景.....................................................................................................1
1.2热声效应机理.....................................................................................................3
1.3热声理论和热声技术应用的历史和现状.........................................................5
1.3.1热声理论的发展.........................................................................................5
1.3.2热声发动机的发展.....................................................................................8
1.3.3热声制冷机的研究进展...........................................................................12
1.3.4热声发动机驱动脉冲管制冷机的研究进展...........................................14
1.4本论文拟研究的主要问题...............................................................................16
1.5本文的主要工作...............................................................................................17
2小型斯特林热声发动机的理论基础和仿真优化设计..............................................19
2.1前言...................................................................................................................19
2.2小型斯特林热声发动机的理论基础.................................................................19
2.2.1热声基本方程...........................................................................................19
2.2.2总能流.......................................................................................................23
2.2.3时均声功流...............................................................................................25
2.2.4系统频率升高对斯特林型热声发动机的影响.......................................26
2.3小型斯特林热声发动机的设计目标和设计原则.............................................29
2.4数值模拟分析......................................................................................................31
2.4.1系统的基本声场分布...............................................................................33
2.4.2管路径向尺寸对小型Stirling热声发动机的影响..................................37
2.4.3系统内热声元件的优化设计....................................................................54
2.4.4运行参数对于系统性能的影响................................................................62
2.5小型斯特林热声发动机的优化结构参数.........................................................68
2.6本章小结.............................................................................................................69
3小型斯特林型热声发动机的实验研究........................................................................71
3.1前言.....................................................................................................................71
3.2实验装置.............................................................................................................72
3.2.1热声驱动器...............................................................................................72
3.2.2真空系统....................................................................................................75
3.2.3动态数据测量及采集系统........................................................................76
3.3高频斯特林热声发动机实验步骤.....................................................................79
3.4系统的起振和稳定.............................................................................................80
3.4.1起振过程...................................................................................................80
3.4.2系统稳定后的压力波分布及频谱图.......................................................82
3.5高频斯特林热声发动机的性能实验.................................................................83
3.5.1结构参数对系统性能的影响...................................................................83
3.5.2运行参数对系统性能的影响...................................................................92
3.5.3系统优化以后的性能指标.......................................................................94
3.6本章小结.............................................................................................................97
4小型热声发动机驱动脉冲管制冷机的理论探索......................................................100
4.1.前言....................................................................................................................100
4.2.脉冲管制冷机....................................................................................................101
4.2.1基本工作原理和构成.............................................................................101
4.2.2脉冲管制冷机的发展.............................................................................102
4.2.3脉冲管制冷机的理论研究方法.............................................................106
4.3.小型热声发动机驱动的脉冲管制冷机............................................................106
4.3.1小型热声发动机驱动脉冲管制冷机的耦合特性..................................108
4.3.2热声发动机和脉冲管制冷机的匹配......................................................112
4.3.3惯性管对热驱动脉冲管制冷机的影响研究..........................................114
4.4小结...................................................................................................................119
5小型热声发动机驱动脉冲管制冷机的设计计算及仿真..........................................120
5.1前言...................................................................................................................120
5.2影响脉冲管制冷机性能的设计参数及其分析................................................121
5.2.1设计参数.................................................................................................121
5.2.2脉冲管制冷机的几何结构参数分析......................................................121
5.3脉冲管制冷机内声场分布及各元件的优化设计............................................123
5.3.1脉冲管制冷机内部的声场分布..............................................................124
5.3.2脉冲管制冷机内各元件的仿真计算......................................................127
5.3.3脉冲管制冷机基本尺寸的确定.............................................................140
5.4热声发动机的结构参数和运行参数对脉冲管制冷机的影响........................141
5.5结论....................................................................................................................143
6小型斯特林热声发动机驱动脉冲管制冷机的实验研究..........................................144
6.1前言...................................................................................................................144
6.2实验台架的搭建和实验准备...........................................................................144
6.2.1实验系统.................................................................................................144
6.2.2实验步骤.................................................................................................147
6.3实验结果与讨论...............................................................................................149
6.3.1典型降温曲线.........................................................................................149
6.3.2实验测量方法.........................................................................................149
6.3.3结构参数对整体性能的影响.................................................................151
6.3.4运行参数对整机性能的影响.................................................................161
6.4结论...................................................................................................................165
7全文总结......................................................................................................................167
7.1发动机理论部分.............................................................................................167
7.2发动机实验部分..............................................................................................168
7.3热驱动的脉冲管制冷机理论及其数值仿真.................................................169
7.4热驱动的脉冲管制冷机实验.........................................................................169
7.5今后工作展望.................................................................................................170
致谢..................................................................................................................................172
参考文献..........................................................................................................................173
附录攻读博士学位期间发表的论文............................................................................181
