專利名稱：降低熱聲發(fā)動機(jī)起振溫度的外加擾動法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種降低熱聲發(fā)動機(jī)起振溫度的外加擾動法，外加擾動可以有效降低熱聲發(fā)動機(jī)的起振溫度，而對發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行性能沒有影響。
背景技術(shù)：
熱聲發(fā)動機(jī)是利用熱聲效應(yīng)，完成熱能到聲能轉(zhuǎn)化并實(shí)現(xiàn)聲功輸出的聲波發(fā)生器。圖1描述了熱聲發(fā)動機(jī)中熱聲板疊或熱聲回?zé)崞髦袉蝹€(gè)通道中一個(gè)氣體微團(tuán)的工作過程。TH和TC分別表示熱聲發(fā)動機(jī)中微團(tuán)位移極限處的溫度，可以看作是微型化的發(fā)動機(jī)回?zé)崞?或板疊)的熱端和冷端，箭頭表示熱量的傳輸方向，熱聲回?zé)崞?或板疊)由無數(shù)個(gè)這樣的微元組成?？梢钥吹?，當(dāng)在通道中往復(fù)運(yùn)動的氣體微團(tuán)越過平衡位置向右運(yùn)動時(shí)，一方面是壓力減小；另一方面壁面沿運(yùn)動方向溫度降低，兩者同時(shí)作用于氣體微團(tuán)。由于熱聲發(fā)動機(jī)的板疊和回?zé)崞骶哂休^大的溫度梯度，即實(shí)際溫度梯度大于臨界溫度梯度，所以熱收縮力占優(yōu)勢，于是壁面溫度降低引起的熱收縮力克服了壓力減小造成氣體微團(tuán)體積增大的傾向，最終使之體積縮小，因此這是一個(gè)壓縮過程，消耗功量pcdv；同理，當(dāng)氣體微團(tuán)向左運(yùn)動，壁面溫度升高，微團(tuán)雖然受到的壓力也升高，但是熱膨脹力占優(yōu)勢，所以體積增大，在位移左極限處達(dá)到體積最大，這是一個(gè)體積膨脹過程，所以對外做功pHdv。微團(tuán)往復(fù)運(yùn)動經(jīng)歷的熱力學(xué)循環(huán)過程是在聲場中進(jìn)行的，所以支持消耗功和接收輸出功的是聲功流。在熱聲發(fā)動機(jī)中，收縮過程發(fā)生在低壓處，而膨脹過程發(fā)生在高壓處，其整個(gè)工作循環(huán)過程在示功圖上表示出來就是圖2，可以看到，微團(tuán)的整個(gè)工作循環(huán)能夠在P-V圖上形成一個(gè)順時(shí)針閉合區(qū)域，所以微團(tuán)對外的凈輸出功w＝pHdv-pcdv＞0，聲功得到放大。熱聲回?zé)崞?或板疊)由無數(shù)個(gè)這樣的微元通道組成，因此聲功流在從冷端到熱端傳輸?shù)倪^程中被逐級放大，最后向外發(fā)射。所以熱聲發(fā)動機(jī)是一種將熱能轉(zhuǎn)化成聲功的聲波發(fā)生器，而聲功是一種可以直接利用的機(jī)械能。
根據(jù)聲場特性不同，熱聲發(fā)動機(jī)主要分為駐波型、行波型及駐波行波混合型三種型式。由于駐波聲場中速度波和壓力波相位差為90°，駐波場中理論上沒有聲功傳輸；另一方面，在駐波熱聲發(fā)動機(jī)板疊中氣體同固體間換熱較差，氣體進(jìn)行的是不可逆熱力學(xué)循環(huán)，所以熱聲發(fā)動機(jī)效率低。行波型熱聲發(fā)動機(jī)利用的是行波聲場，聲場中速度波動和壓力波動相位相同，并且發(fā)動機(jī)回?zé)崞髦袣怏w通道的水力半徑遠(yuǎn)小于氣體熱滲透深度，氣體在回?zé)崞髦羞M(jìn)行的是等溫?zé)醾鬟f，因此行波熱聲發(fā)動機(jī)在理論上可以達(dá)到比駐波熱聲發(fā)動機(jī)更高的熱力學(xué)效率。但是利用純行波聲場也很難實(shí)現(xiàn)較高的熱聲轉(zhuǎn)化效率，主要原因有1)回?zé)崞髦泄腆w介質(zhì)同氣體介質(zhì)之間相互熱傳遞時(shí)總會不可避免地存在熱滯后；2)行波聲場具有低聲阻抗特性，這會導(dǎo)致大的粘性損失，特別是在回?zé)崞魈帲?)存在各種形式的環(huán)路直流。在環(huán)路的適當(dāng)位置引入駐波直路，構(gòu)成混合型行波熱聲發(fā)動機(jī)，一方面可以利用回?zé)崞髦泄腆w介質(zhì)同氣體介質(zhì)之間相互熱傳遞時(shí)存在的熱滯后實(shí)現(xiàn)駐波熱聲轉(zhuǎn)換，另一方面可以提高行波聲場特別是回?zé)崞魈幍穆曌杩箯亩鴾p少粘性損耗。美國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室制作了一臺行波型熱聲發(fā)動機(jī)，通過在行波環(huán)路引出一駐波直路，成功地在聲場中引入了駐波成分，并在實(shí)驗(yàn)中取得42％的相對卡諾效率和30％的熱力學(xué)效率。
如圖3所示，雙端驅(qū)動駐波型熱聲發(fā)動機(jī)通常具有如下組成部分1.高溫氣庫，高溫氣庫在駐波熱聲發(fā)動機(jī)中起消聲作用，防止由于聲波的反射和散射產(chǎn)生的雜波影響諧振管中的壓力波。此外，該結(jié)構(gòu)還能在一定程度上降低系統(tǒng)的諧振頻率。
2.加熱器，加熱器的作用是在回?zé)崞飨鄬鋮s器的另一端提供一個(gè)高溫?zé)嵩?，與處于環(huán)境溫度的冷卻器一起在回?zé)崞魃闲纬梢粋€(gè)溫度梯度。
3.板疊，熱聲回?zé)崞魇钱a(chǎn)生并強(qiáng)化熱聲效應(yīng)的關(guān)鍵構(gòu)件，此處發(fā)生的熱聲效應(yīng)使聲功產(chǎn)生或增強(qiáng)。
4.冷卻器，其作用是在回?zé)崞魇覝囟藥ё邿崃俊⒗鋮s氣體工質(zhì)，以建立熱聲回?zé)崞魃系臏囟忍荻取?br> 5.駐波諧振管，為駐波熱聲發(fā)動機(jī)提供一個(gè)封閉空間，確定系統(tǒng)的工作頻率。
如圖4所示，行波型熱聲發(fā)動機(jī)通常具有如下組成部分1.加熱器，加熱器的作用是在回?zé)崞飨鄬鋮s器的另一端提供一個(gè)高溫?zé)嵩?，與處于環(huán)境溫度的冷卻器一起在回?zé)崞魃闲纬梢粋€(gè)溫度梯度。
2.板疊，熱聲回?zé)崞魇钱a(chǎn)生并強(qiáng)化熱聲效應(yīng)的關(guān)鍵構(gòu)件，此處發(fā)生的熱聲效應(yīng)使聲功產(chǎn)生或增強(qiáng)。
3.冷卻器，其作用是在回?zé)崞魇覝囟藥ё邿崃?、冷卻氣體工質(zhì)，以建立熱聲回?zé)崞魃系臏囟忍荻取?br> 4.行波環(huán)路，為發(fā)動機(jī)提供一個(gè)封閉空間，并為行波提供一個(gè)環(huán)形通路，確定系統(tǒng)的工作頻率。
如圖5所示，駐波與行波混合型熱聲發(fā)動機(jī)通常具有如下組成部分一、行波環(huán)路1.主冷卻器，主冷卻器位于回?zé)崞?的上方，其作用是在回?zé)崞魇覝囟藥ё邿崃?、冷卻氣體工質(zhì)，以建立熱聲回?zé)崞魃系臏囟忍荻取?br> 2.熱聲回?zé)崞?，位于主冷卻器1下方，熱聲回?zé)崞魇钱a(chǎn)生并強(qiáng)化熱聲效應(yīng)的關(guān)鍵構(gòu)件，此處發(fā)生的熱聲效應(yīng)使聲功產(chǎn)生或增強(qiáng)。
3.加熱器，加熱器的作用是在回?zé)崞飨鄬鋮s器的另一端提供一個(gè)高溫?zé)嵩?，與處于環(huán)境溫度的冷卻器一起在回?zé)崞魃闲纬梢粋€(gè)溫度梯度。這個(gè)溫度梯度是熱聲發(fā)動機(jī)工作的動力。
4.熱緩沖管，熱緩沖管位于加熱器3與副冷卻器5之間，作用是實(shí)現(xiàn)加熱器與副冷卻器的熱隔離，以減少熱端換熱器向副冷卻器的漏熱，同時(shí)使得聲功從發(fā)動機(jī)高溫區(qū)域向外傳遞。為了減少軸向?qū)?，熱緩沖管在滿足強(qiáng)度要求的情況下管壁應(yīng)盡可能薄。
5.副冷卻器及導(dǎo)流器，副冷卻器的作用是降低傳輸聲功的氣體溫度，以利于聲功引出并為熱聲制冷機(jī)提供動力。當(dāng)環(huán)路中的直流流動(Gedeon流，即經(jīng)過回?zé)崞鳌峋彌_管、反饋管路等沿環(huán)路的時(shí)均質(zhì)量流)和熱緩沖管中的直流流動均被完全抑制時(shí)，副冷卻器的負(fù)荷僅僅是沿?zé)峋彌_管管壁的漏熱和來自熱端換熱器的熱輻射，所以副冷卻器可以采用直徑較大、長度較短(即換熱面積較小)的不銹鋼管。
導(dǎo)流器位于熱緩沖管下方，作用是使進(jìn)入熱緩沖管底部和熱緩沖管內(nèi)的氣流均勻分布，防止由于副冷卻器的形狀或與諧振管的連接點(diǎn)處氣流的分離而形成的射流。射流會導(dǎo)致熱緩沖管內(nèi)氣體的直流流動，造成加熱器大量熱量的浪費(fèi)。
6.反饋管路，反饋管路的作用是為行波成分提供通路，同時(shí)起到一個(gè)聲感部件的作用，使冷卻器處產(chǎn)生行波相位。
7.聲容管路，聲容橫跨環(huán)路左右支路，是一個(gè)容積較大的腔體。它本質(zhì)上是一個(gè)聲容部件，同反饋直路一起在冷卻器端實(shí)現(xiàn)行波相位。
8.噴射泵，噴身泵位于聲容7和主冷卻器1之間，其作用是利用流道不對稱效應(yīng)在兩端產(chǎn)生一個(gè)壓力差，形成一個(gè)逆著環(huán)路二階質(zhì)量流的流動并盡可能與之抵消，從而抑制環(huán)路Gedeon直流。
二、駐波諧振直路9.諧振直路，諧振直路的作用是在行波環(huán)路上耦合一個(gè)駐波管路，把駐波成分引入系統(tǒng)中，使該系統(tǒng)兼有駐波和行波熱聲發(fā)動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，從而提高了熱聲發(fā)動機(jī)的熱力學(xué)效率；另一方面，諧振直路從環(huán)路引出大部分聲功并在直路上形成駐波相位，由于駐波系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較大的聲阻抗，所以諧振直路提供了連接負(fù)載的最佳位置。
10.消聲部分。
混合型熱聲發(fā)動機(jī)中由于存在著行波環(huán)路，因此要考慮直流抑制問題。采用美國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室的Swift等人提倡的噴射泵結(jié)構(gòu)，雖然可以取得較好的抑制效果，但是聲功損失比較大。而且反饋回路中的聲功全部回到回?zé)崞鲿r(shí)，在回?zé)崞髦袚p失太大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種有效降低熱聲發(fā)動機(jī)起振溫度的外加擾動法。
它是采用外加擾動法降低熱聲發(fā)動機(jī)的起振溫度，即熱聲發(fā)動機(jī)開機(jī)準(zhǔn)備就緒后，先把熱聲發(fā)動機(jī)加熱器開啟，當(dāng)回?zé)崞鳠岫藴囟冗_(dá)到低于正常起振溫度10～50℃時(shí)，向系統(tǒng)中外加擾動，則熱聲發(fā)動機(jī)會在低于正常起振溫度10～50℃時(shí)起振；本發(fā)明在熱聲發(fā)動機(jī)起振前，通過在熱聲發(fā)動機(jī)的某個(gè)位置加入擾動，促使發(fā)動機(jī)在更低的溫度下起振。這是對熱聲發(fā)動機(jī)操作方法的創(chuàng)新，可有效降低熱聲發(fā)動機(jī)的起振溫度，使其可以直接利用工業(yè)廢熱和太陽能等低溫位熱源，從而拓展了熱聲發(fā)動機(jī)的應(yīng)用范圍。


圖1是熱聲發(fā)動機(jī)中氣體微團(tuán)與固體介質(zhì)間的傳熱過程示意圖；圖2是熱聲發(fā)動機(jī)中氣體微團(tuán)工作循環(huán)的PV圖；圖3是雙端驅(qū)動駐波型熱聲發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是行波型熱聲發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是駐波與行波混合型熱聲發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是加擾動和未加擾動情況下的滯后回路比較圖；圖7是加擾動和未加擾動情況下的滯后回路比較圖；圖8是加擾動和未加擾動情況下的滯后回路比較圖；圖9是未加擾動和加擾動起振溫度的比較圖；圖10是未加擾動的起振和消振壓力振幅圖；圖11是加入擾動后的起振和消振曲線。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明利用外加擾動降低系統(tǒng)起振溫度的設(shè)想最早來自于我們的生活經(jīng)驗(yàn)。例如，靜止的車輛啟動過程需要很大的啟動力矩克服摩擦阻力，而外加一個(gè)較小的推力就足以使車輛提早運(yùn)動起來。我們的前期理論研究和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，熱聲系統(tǒng)的起振源于氣體物性隨溫度急劇改變而發(fā)生的較大變化，在一定的流動和換熱條件下，壓損隨流量的增加而減少，造成局部流量突然增加，從而形成很大的壓力擾動，系統(tǒng)便突然起振。因此，為了使熱聲系統(tǒng)形成自發(fā)振蕩(起振)，需要克服系統(tǒng)的粘性阻力。外加擾動恰恰可以輔助加熱源，而共同克服壓損，從而提早發(fā)生熱聲振蕩。
可以作為熱聲系統(tǒng)外加擾動的方式很多，主要有充氣擾動和放氣擾動，聲波激蕩擾動，激光熱擾動等，這些外加擾動的本質(zhì)是相同的，都是在起振前的熱聲發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中外加一個(gè)壓力擾動，促使熱聲發(fā)動機(jī)系統(tǒng)提前起振。此外，熱聲發(fā)動機(jī)可以采用電加熱、太陽能加熱、燃?xì)饧訜?、工業(yè)廢熱加熱等各種方式，為了不增加系統(tǒng)的復(fù)雜性并能同時(shí)準(zhǔn)確量度外加擾動的強(qiáng)度，我們采用充放氣過程對采用電加熱的行波駐波混合型熱聲發(fā)動機(jī)系統(tǒng)施加外加擾動，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。如圖5所示，加工好如下部件1，主冷卻器。主冷卻器位于回?zé)崞?2)的上方，其作用是在回?zé)崞魇覝囟藥ё邿崃?、冷卻氣體工質(zhì)，以建立熱聲回?zé)崞魃系臏囟忍荻?。主冷卻器采用自行設(shè)計(jì)的殼管式結(jié)構(gòu)和水冷方式，工質(zhì)氣體走管程，冷卻水走殼程。它通過把187根Ф5×1的不銹鋼管焊接在兩塊平行不銹鋼薄板上做成，管長37.5mm，不銹鋼薄板與該處的法蘭氬弧焊接，水路通過法蘭外緣分三路引入引出。
2，熱聲回?zé)崞?。熱聲回?zé)崞魇钱a(chǎn)生并強(qiáng)化熱聲效應(yīng)的關(guān)鍵構(gòu)件，此處發(fā)生的熱聲效應(yīng)使聲功產(chǎn)生或增強(qiáng)。熱聲回?zé)崞魑挥谥骼鋮s器(1)下方，總高75mm，通過在一個(gè)壁厚為4mm的不銹鋼管內(nèi)填充不銹鋼絲網(wǎng)制成，其中絲網(wǎng)段的長度為70mm，填有440片絲網(wǎng)，絲網(wǎng)片直徑為90mm，規(guī)格為120目。絲網(wǎng)圓片與不銹鋼管壁應(yīng)緊密配合，以防止沿回?zé)崞鹘z網(wǎng)片邊緣的軸向串氣，為做到這一點(diǎn)制作時(shí)應(yīng)使絲網(wǎng)與不銹鋼管壁適當(dāng)過盈配合。
3，加熱器。加熱器的作用是在回?zé)崞飨鄬鋮s器的另一端提供一個(gè)高溫?zé)嵩矗c冷卻器處的環(huán)境溫度一起在回?zé)崞魃闲纬梢粋€(gè)溫度梯度。這個(gè)溫度梯度是熱聲發(fā)動機(jī)工作的動力。在我們設(shè)計(jì)的發(fā)動機(jī)中，加熱器和回?zé)崞饕惑w加工，解決了二者之間的高溫密封問題，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)回?zé)崞骱图訜崞髦g的零距離接觸，在保證氣體流道暢通的條件下對熱聲轉(zhuǎn)換有利。加熱器的具體結(jié)構(gòu)是把切好軸向氣體通道的黃銅棒冷套到不銹鋼圓管內(nèi)，黃銅棒外徑100mm，垂至于氣體軸向通道且在氣體通道之間切出三條貫通不銹鋼壁的槽，尺寸為96×12mm，然后把切好加熱管孔的不銹鋼塊插進(jìn)槽內(nèi)，外面用氬弧焊接密封。本加熱器設(shè)計(jì)有24根特制電加熱管，設(shè)計(jì)滿負(fù)荷功率為5000瓦。
4，熱緩沖管。熱緩沖管位于加熱器(3)與副冷卻器(5)之間，作用是實(shí)現(xiàn)加熱器與副冷卻器的熱隔離，以減少熱端換熱器向副冷卻器的漏熱，同時(shí)使得聲功從發(fā)動機(jī)高溫區(qū)域向外傳遞。熱緩沖管長240mm，上半部分是80mm長的直管，下半部分是錐管，直管處內(nèi)徑為90mm，錐管最末端處內(nèi)徑為98mm，半角錐度為1.35°。熱緩沖管的內(nèi)表面要進(jìn)行磨光處理，以確保其粗糙度遠(yuǎn)小于粘性滲透深度和熱滲透深度，減小邊界層的擾動，抑制邊界層效應(yīng)所引起的Rayleigh流(一種由于邊界層效應(yīng)沿著熱緩沖管壁面的時(shí)均質(zhì)量流)，錐度的作用也是為抑制管內(nèi)Rayleigh流而設(shè)計(jì)。為了減少軸向?qū)?，熱緩沖管在滿足強(qiáng)度要求的情況下管壁應(yīng)盡可能薄。
5，副冷卻器及導(dǎo)流器。副冷卻器的作用是降低傳輸聲功的氣體溫度，以利于聲功引出并為熱聲制冷機(jī)提供動力。當(dāng)環(huán)路中的直流流動(Gedeon流，即經(jīng)過回?zé)崞?、熱緩沖管、反饋管路等沿環(huán)路的時(shí)均質(zhì)量流)和熱緩沖管中的直流流動均被完全抑制時(shí)，副冷卻器的負(fù)荷僅僅是沿?zé)峋彌_管管壁的漏熱和來自熱端換熱器的熱輻射，所以副冷卻器可以采用直徑較大、長度較短(即換熱面積較小)的不銹鋼管。該熱聲發(fā)動機(jī)中副冷卻器采用與主冷卻器類似結(jié)構(gòu)，細(xì)不銹鋼管的長度縮短為25mm。
導(dǎo)流器位于熱緩沖管下方，由若干片22目不銹鋼絲網(wǎng)構(gòu)成。導(dǎo)流器的作用是使進(jìn)入熱緩沖管底部和熱緩沖管內(nèi)的氣流均勻分布，防止由于副冷卻器的形狀或與諧振管的連接點(diǎn)處氣流的分離而形成的射流。射流會導(dǎo)致熱緩沖管內(nèi)氣體的直流流動，造成加熱器大量熱量的浪費(fèi)。
6，反饋管路。反饋管路的作用是為行波成分提供通路，同時(shí)起到一個(gè)聲感部件的作用，使冷卻器處產(chǎn)生行波相位。副冷卻器與反饋回路及諧振管的連接通過一個(gè)倒T形三通管實(shí)現(xiàn)。反饋管路自下而上由四部分組成，反饋彎管，錐管1，直管，錐管2。反饋彎管是一個(gè)90°彎頭，與之相接的錐管1長為100mm，內(nèi)徑從90mm縮變到76mm。據(jù)估算，由于環(huán)路中加熱段的高溫作用，環(huán)路右側(cè)會產(chǎn)生1～3mm形變。為了消除由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力，本系統(tǒng)采用自行制作的特殊結(jié)構(gòu)以確保行波環(huán)路不被破壞。錐管2主要用來實(shí)現(xiàn)不同截面積管道之間的過渡。
7，聲容管路。聲容橫跨環(huán)路左右支路，是一個(gè)容積較大的腔體。它本質(zhì)上是一個(gè)聲容部件，同反饋直路一起在冷卻器端實(shí)現(xiàn)行波相位。聲容管路由兩個(gè)90°不銹鋼彎頭氬弧焊接完成，內(nèi)徑100mm，壁厚4mm。
8，噴射泵。噴身泵位于聲容(7)和主冷卻器(1)之間，其作用是利用流道不對稱效應(yīng)在兩端產(chǎn)生一個(gè)壓力差，形成一個(gè)逆著環(huán)路二階質(zhì)量流的流動并盡可能與之抵消，從而抑制環(huán)路Gedeon直流。噴射泵在設(shè)計(jì)中采用雙平行錐形槽結(jié)構(gòu)，槽高35mm，長50mm，槽的出口和入口都用圓角過渡，為加工方便和降低成本噴射泵用鋁制作。為實(shí)現(xiàn)上下端面壓差連續(xù)調(diào)節(jié)，噴射泵最好能設(shè)計(jì)成槽截面積可調(diào)的型式。
9，諧振直路。諧振直路的作用是在行波環(huán)路上耦合一個(gè)駐波管路，把駐波成分引入系統(tǒng)中，使該系統(tǒng)兼有駐波和行波熱聲發(fā)動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，從而提高了熱聲發(fā)動機(jī)的熱力學(xué)效率；另一方面，諧振直路從環(huán)路引出大部分聲功并在直路上形成駐波相位，由于駐波系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較大的聲阻抗，所以諧振直路提供了連接負(fù)載的最佳位置。諧振直路主要由三部分組成，接口錐管、共振直管、消聲部分。接口錐管是一個(gè)漸擴(kuò)管，內(nèi)徑從90mm增加到100mm，長度為100mm。共振直管內(nèi)徑100mm，長度1900mm，這是駐波部分的主要部件。消聲部分包括長錐管、直管、封頭，錐管長度1300mm，其內(nèi)徑從100mm增加到261mm，與之相連的消振直管長440mm。消聲部分的作用是提供一個(gè)聲阻抗連續(xù)變化的無限大空間，實(shí)現(xiàn)四分之一波長駐波諧振。我們在試驗(yàn)中也充分證實(shí)了這一點(diǎn)，消聲錐管的入口處壓比很小，只有1.02左右，可以近似看作是壓力波節(jié)。
按照圖5所示各部件的相對位置對熱聲發(fā)動機(jī)進(jìn)行安裝，部件之間采用法蘭連接。在駐波諧振直路末端布置一個(gè)充氣口，管路內(nèi)通徑約為4~20mm，充氣口與熱聲發(fā)動機(jī)的輸氣管路相連，也可以單獨(dú)設(shè)置。在諧振直管的中間位置布置一個(gè)放氣口，通徑大小跟充氣口相同，末端安裝截止閥門。把電熱管插到加熱器的電熱管插孔中，共有24根。將主冷卻器和副冷卻器連接到水路上，可以采用橡皮管，并開通冷卻水循環(huán)。
熱聲發(fā)動機(jī)可以采用空氣、氮?dú)狻⒑?、氬氣，以及混合氣體作為工作介質(zhì)，為了方便試驗(yàn)同時(shí)又不影響試驗(yàn)規(guī)律的普遍適用性，本具體實(shí)例采用氮?dú)庾鳛楣ぷ鹘橘|(zhì)。系統(tǒng)中充氣和放氣位置如圖5所示。常規(guī)的對熱聲發(fā)動機(jī)的操作方法是，先把加熱器通電(保持加熱功率不變)，回?zé)崞鳠岫藴囟壬仙?，?dāng)與冷卻水溫度之間達(dá)到一定溫差，系統(tǒng)自發(fā)形成可維持的周期性振蕩，視為常規(guī)起振，這時(shí)的加熱器溫度記作常規(guī)起振溫度。外加擾動工況的實(shí)驗(yàn)方法與上述略有不同。先把加熱器通電(保持與上述相同的加熱功率)，使回?zé)崞鳠岫藴囟壬仙?，?dāng)回?zé)崞鳠岫藴囟冗_(dá)到低于正常起振溫度10～50℃時(shí)，從充氣口充入一定量與工作氣體相同的氣體，充氣時(shí)間為1～5秒鐘，充氣壓力高于系統(tǒng)內(nèi)的壓力0.1～1MPa。充氣過程中氣體源壓力保持不變(1.5MPa)。此后終止操作觀察系統(tǒng)是否起振。如起振則說明系統(tǒng)在充氣擾動作用下提前起振。如果系統(tǒng)不能起振，待氣體在系統(tǒng)內(nèi)均勻分布后，打開放氣閥門把系統(tǒng)充氣壓力降低到指定值。在此過程中閥門開度保持一致，當(dāng)壓力下降到指定值后關(guān)閉排氣閥門，觀察系統(tǒng)是否起振。如起振則說明系統(tǒng)在放氣擾動作用下提前起振。在充放氣過程中始終把回?zé)崞鳠岫藴囟瓤刂圃诘陀谡Ｆ鹫駵囟?0～50℃，若溫度超出最大設(shè)定值則關(guān)閉電源，反之接通電源。所有實(shí)驗(yàn)過程中電源的輸入電壓都保持在100V，對應(yīng)的加熱功率約為900W。
按照上述操作方法，我們進(jìn)行了未加擾動和加入壓力擾動情況下的對比實(shí)驗(yàn)。圖6給出了在充氣壓力為0.91MPa的情況下加擾動和未加擾動的滯后回路比較。圖中縱坐標(biāo)為壓力振幅，為最高與最低壓力差值的一半。由圖可見，加入擾動后起振溫度由原來的219℃降為193℃(如圖中ΔT所示)，溫降達(dá)26℃。為了觀察外加擾動引起起振溫度降低這一現(xiàn)象的普遍性和可重復(fù)性，我們又分別在0.34MPa、0.47MPa、0.62MPa、0.79MPa充氣壓力下進(jìn)行了外加擾動起振實(shí)驗(yàn)。結(jié)果，起振溫度都得到了不同程度的降低。圖7和圖8分別給出了在0.62MPa和0.34MPa充氣壓力下的滯后回路比較結(jié)果。對比圖6和圖8可以看到，在較大充氣壓力下的滯后回路所包圍的溫度區(qū)間大，所以能夠提前起振的溫度范圍也大；反之，在較小充氣壓力下的起振溫度和消振溫度相差不大，可以利用的溫度范圍較小?？梢姡诟吖ぷ鲏毫ο峦饧訑_動激發(fā)系統(tǒng)起振的效果更為明顯。
圖9綜合給出了在未加擾動和加擾動兩種情況下系統(tǒng)起振溫度與充氣壓力的關(guān)系曲線。圖中橫坐標(biāo)為充氣壓力，指的是當(dāng)系統(tǒng)完成擾動起振實(shí)驗(yàn)后回?zé)崞鳠岫嘶謴?fù)到室溫時(shí)系統(tǒng)內(nèi)的壓力。由圖9可見在實(shí)驗(yàn)壓力范圍內(nèi)，外加擾動使系統(tǒng)的起振溫度顯著降低。從圖中起振溫度曲線還可以看到，對應(yīng)于一種回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)，熱聲發(fā)動機(jī)系統(tǒng)不論加未加擾動都存在一個(gè)最低起振溫度，即當(dāng)充氣壓力高于對應(yīng)最低起振溫度的充氣壓力時(shí)起振溫度隨充氣壓力的升高而升高(斜率為正)，反之隨充氣壓力的降低而升高(斜率為負(fù))。
在系統(tǒng)動態(tài)過程方面，無擾動和有擾動的起振過程明顯不同。圖10、11分別給出了在充氣壓力為0.62MPa的情況下，未加擾動和加擾動情況下起振和消振過程的壓力振幅圖。圖10是未加擾動時(shí)系統(tǒng)中各壓力測點(diǎn)的情況，起振瞬間各點(diǎn)壓力振幅幾乎是直線上升，P5點(diǎn)的壓力振幅在極短時(shí)間內(nèi)幾乎直線上升到0.0125MPa，然后才逐漸呈曲線上升，當(dāng)上升到Poweroff點(diǎn)電源切斷。但是，從圖11中看到，在加擾動后起振時(shí)壓力振幅是慢慢爬升的，沒有出現(xiàn)明顯躍增。這主要是由于隨著起振溫度的降低，通過回?zé)崞鳒囟忍荻刃纬傻哪芰糠e累過剩量減小造成的。同樣，從圖6、7、8也可以看到起振振幅降低的結(jié)果，如圖中ΔpE表示。由圖8可見，在0.34MPa充氣壓力下幾乎看不到壓力振幅的躍增，系統(tǒng)起振后隨溫度升高振幅緩慢爬升。當(dāng)加擾動后的振幅達(dá)到未加擾動時(shí)的起振振幅后，振幅隨時(shí)間的增長趨勢與未加擾動的幾乎重合，表明擾動已經(jīng)不再對系統(tǒng)構(gòu)成影響。當(dāng)壓力振幅達(dá)到一定值后，切斷加熱器電源，系統(tǒng)便進(jìn)入消振過程。從圖10和圖11的比較來看，兩種情況下得到的動態(tài)消振曲線形狀幾乎完全相同。
以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了外加擾動方法降低熱聲發(fā)動機(jī)起振溫度的有效性和普遍性，說明采用外加擾動降低熱聲發(fā)動機(jī)起振溫度是行之有效的方法。雖然申請人只是在行波駐波混合型熱聲發(fā)動機(jī)中通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法，但由于三種型式的熱聲發(fā)動機(jī)具有相同的起振機(jī)理，所以該方法對其它兩種機(jī)型同樣有效。
權(quán)利要求
1.一種降低熱聲發(fā)動機(jī)起振溫度的外加擾動法，其特征在于，是采用外加擾動法降低熱聲發(fā)動機(jī)的起振溫度，即熱聲發(fā)動機(jī)開機(jī)準(zhǔn)備就緒后，先把熱聲發(fā)動機(jī)加熱器開啟，當(dāng)回?zé)崞鳠岫藴囟冗_(dá)到低于正常起振溫度10～50℃時(shí)，向系統(tǒng)中外加擾動，則熱聲發(fā)動機(jī)會在低于正常起振溫度10～50℃時(shí)起振；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低熱聲發(fā)動機(jī)起振溫度的外加擾動法，其特征在于所說外加擾動為充氣擾動、放氣擾動、聲波激蕩擾動、激光熱擾動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種降低熱聲發(fā)動機(jī)起振溫度的外加擾動法，其特征在于所說充氣擾動是向系統(tǒng)中充入高于系統(tǒng)自身工作壓力0.1～1MPa氣體，持續(xù)時(shí)間為1～5秒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低熱聲發(fā)動機(jī)起振溫度的外加擾動法，其特征在于所說熱聲發(fā)動機(jī)是駐波型熱聲發(fā)動機(jī)，行波型熱聲發(fā)動機(jī)，駐波與行波混合型熱聲發(fā)動機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低熱聲發(fā)動機(jī)起振溫度的外加擾動法，其特征在于所說熱聲發(fā)動機(jī)采用電加熱、太陽能加熱、燃?xì)饧訜?、工業(yè)廢熱加熱各種方式。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低熱聲發(fā)動機(jī)起振溫度的外加擾動法，其特征在于所說熱聲發(fā)動機(jī)采用空氣、氮?dú)狻⒑?、氬氣，以及混合氣體作為工作介質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種降低熱聲發(fā)動機(jī)起振溫度的外加擾動法。它是采用外加擾動法降低熱聲發(fā)動機(jī)的起振溫度，即熱聲發(fā)動機(jī)開機(jī)準(zhǔn)備就緒后，先把熱聲發(fā)動機(jī)加熱器開啟，當(dāng)回?zé)崞鳠岫藴囟冗_(dá)到低于正常起振溫度10～50℃時(shí)，向系統(tǒng)中外加擾動，則熱聲發(fā)動機(jī)會在低于正常起振溫度10～50℃時(shí)起振；本發(fā)明在熱聲發(fā)動機(jī)起振前，通過在熱聲發(fā)動機(jī)的某個(gè)位置加入擾動，促使發(fā)動機(jī)在更低的溫度下起振。這是對熱聲發(fā)動機(jī)操作方法的創(chuàng)新，可有效降低熱聲發(fā)動機(jī)的起振溫度，使其可以直接利用工業(yè)廢熱和太陽能等低溫位熱源，從而拓展了熱聲發(fā)動機(jī)的應(yīng)用范圍。
文檔編號F03G7/00GK1587692SQ200410053248
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月22日
發(fā)明者邱利民, 孫大明, 嚴(yán)偉林, 陳萍, 甘智華, 陳國邦 申請人:浙江大學(xué)