热声过程的行驻波机理分析及实验研究

热声热机利用热声效应可以直接实现热能和声能之间的相互转换，是一种完全没有运动部件的新型热机，具有广泛的应用前景。基于行波或驻波机制的热声热机是目前应用最广泛的两种热声热机。但是实际热声热机内的声场并不是理想的驻波或行波，而是行波成分和驻波成分按比例沿程分布的复杂声场。本研究将在声学波动理论的基础上，建立线性热声理论的行驻波分解模型；分析行波分量和驻波分量对回热器热声转换的贡献和耗散，建立行驻波声场条件下的回热器热声转换模型；在理论和实验基础上，获得指导实际声场回热器优化设计的判据参数。本研究有助于深化对热声能量转换机理的认识，进而指导复杂声场条件下回热器的设计和优化，这对于开发高效热声热机具有重要的理论指导意义。

本研究在声学波动理论的基础上，从基本热声公式出发，建立了线性热声理论的行驻波分解模型；分析了行波分量和驻波分量对回热器热声转换得贡献和耗散，建立了行驻波声场条件下的回热器热声转换模型，给出了声场参数、回热器结构参数以及热声热机性能参数的无因次表达式，并通过这些无因次参数的分析，提出了一种综合优化热声热机的全新的优化分析方法；结合回热器结构参数和声场参数，考虑各参数之间的相互制约关系，对热声热机的性能进行了全面的优化分析；在行驻波声场的理论分析和行驻波热声效应的分析基础上，结合现有热驱动热声热机的发展，提出成功并研制了一种新型的行驻波型热声制冷机，在输入300W加热量的条件下实现了-30°C的无负载制冷温度，并且在0°C时可以提供40W的制冷量；本研究进一步深化了对热声能量转换机理的认识，可用于指导复杂声场条件下回热器的设计和优化，对于开发高效热声热机具有重要的理论指导意义。