高频热声斯特林发动机驱动多级脉冲管制冷机的能量转换和耦合机理研究

高效高可靠热声发动机驱动脉冲管制冷机在民用、国防和航天等领域有重要应用前景。由于对声阻抗匹配、耦合规律、高频声功转化机制和高频声场中的损失机制缺乏系统深入认识，高频（300~500 Hz）热声发动机驱动脉冲管制冷机热效率和最低温度都与实际应用有较大差距。为提高热效率并获得液氢甚至液氦温度低温，本项目提出采用内禀高效率热声斯特林发动机驱动多级脉冲管制冷机。围绕这一构想，本项目将探索高频热声斯特林发动机和多级脉冲管制冷机的高效耦合机制，系统研究耦合结构、耦合方式和耦合位置对系统热力性能的影响规律，分析耦合结构中的能量输运和声功耗散机制；深入研究系统关键部件的工作特性，揭示系统内部能量转换和能量损失机理。通过以上系统的理论和实验研究，提出高频热声发动机驱动多级脉冲管制冷机高效耦合新流程，形成优化设计理论。设计一套高效热声斯特林发动机驱动多级脉冲管制冷机，热效率大幅提高并获得40 K以下低温。

本项目围绕高频热声斯特林发动机驱动的脉冲管制冷机这一完全无运动部件、高效可靠的热力系统展开能量转换和耦合机理研究，目标是进一步降低制冷机的无负荷制冷温度，并提升整机热效率。. 本项目开展的具有代表性的工作包括：理论方面，重点开展了高频热声发动机、直线压缩机和脉冲管制冷机的优化设计，耦合系统内的内生性声直流分布特性，热声斯特林发动机与脉冲管制冷机的耦合特性等研究工作；实验方面，重点开展了热声斯特林发动机的系统实验，冷头结构和回热器填料对脉冲管制冷机性能的影响特性等工作。. 代表性成果体现在：. (1) 国际上首次将300Hz脉冲管制冷机的最低温度从58K大幅降低至44.7K，热效率显著提升50%以上；. (2) 采用CFD方法研究了热驱动脉冲管制冷机内的一种内生声直流特性，揭示了流动的复杂性；. (3) 为改善高频热声发动机的声场特性，提出采用环路声学共振型热声发动机结构；. (4) 提出采用高频直线压缩机作为辅助手段以提升热声发动机与脉冲管制冷机的耦合效率。. 结合该项目的研究，培养硕士生1名，博士生2名；在国际学术期刊、国际会议及国内核心期刊上共发表论文8篇，其中被SCI收录2篇、EI1篇、ISTP2篇、核心期刊一篇，一篇论文正在被国际期刊审稿中；公开国家发明专利2项；参加国内外学术交流活动7次，均为大会口头报告。