多回热循环耦合型大功率高效行波热声转换机理研究

Travelling-wave thermoacoustic heat engines have outstanding merits of high efficiency, simple structure, and high reliability, etc., and have a broad application prospect in energy conservation and emission reduction. In order to further improve the energy conversion efficiency and promote the industrial applications, this project will carry out deep studies on the travelling wave thermoacoustic conversion mechanisms based on high-power multi-regenerative coupled cycles. In the aspect of theoretical studies, theoretical model of a thermoacoustic regenerator will be built to deeply investigate the energy conversion effect in the regenerator from the micro-scale perspective. The coupling mechanisms of multi-thermoacoustic sources will be explored. Numerical calculations are then carried out to study the dynamic evolution laws of various physical fields, and the working mechanisms of high-power thermoacoustic regenerator will be revealed thoroughly. Thermoacoustic onset mechanisms will be studied to explore appropriate approaches to reduce the onset temperatures of thermoacoustic engines. In the aspect of experimental studies, micro-scale thin film temperature sensor array will be developed to accurately measure the distributions of thermal parameters in regenerators, and the whole physical fields in regenerators will be further reconstructed. An experimental setup of a thermoacoustic engine with high-power multi-regenerative coupled cycles will be built. Experimental studies will be carried out to systematically reveal the distribution laws of acoustic field and energy flows, and explore effective methods for phase adjustment and acoustic power transfer. With the combination of theoretical and experimental studies, efficient high-power travelling-wave thermoacoustic conversion and low-grade thermal energy utilization will be realized. Solid theoretical and experimental foundations will be built for the industrial applications of thermoacoustic heat engines.

行波热声热机具有效率高、结构简单和运行可靠等突出优点，在节能减排领域具有广阔的应用前景。为进一步提高其热功转换效率和推动其工业化应用，本课题将对多回热循环耦合型大功率行波热声转换机理开展深入研究。理论方面，建立热声回热器的理论模型，深入研究回热器微观尺度内发生的能量转换效应。探究多热声源的耦合作用规律。开展数值计算，研究各物理量场的动态演化规律，深入揭示大功率热声回热器的工作机理。研究热声起振机理，探寻降低热声发动机起振温度的有效途径。在实验研究方面，研制微米尺度薄膜型温度传感器阵列，精确测量回热器内的热力参数分布规律，重构回热器内完整的物理量场。搭建多回热循环耦合型大功率行波热声发动机实验平台，系统地开展实验研究，揭示声场和能量流分布的规律，探寻相位调节和声功传输的高效方法。理论和实验相结合，实现大功率的高效行波热功转换和低品位热能利用，为实现热声热机的工业应用奠定坚实的理论和实验基础。

在现阶段的中国，能源的高效利用和可再生能源的开发具有重要的现实和战略意义。热声热机无运动部件，具有效率高、结构简单、运行可靠且制造和维护成本低、环境友好、可利用各种热源，为提高能源利用效率和利用可再生能源提供了一种理想解决方案。首先，本项目拓展了线性热声理论，从基本控制方程出发建立了回热器的理论模型，并进一步建立了热声发动机的时域网络模型和一维非稳态模型，获得了系统内各物理量场的动态演化过程，深入揭示了回热器的工作机理，同时还搭建了一台回热器性能测试实验台。其次，基于热声时域网络模型和一维非稳态模型，得到了热声发动机的动态起振过程；结合实验探究了系统品质因子的变化规律，通过品质因子来评估热声系统中声功产生和耗散的性能；且基于一维非稳态模型，揭示了各外部扰动降低热声系统起振温度的内在作用机理，及外部扰动因素对系统稳态工作性能的影响。再次，在行波热声发电系统研究中，提出热声发动机与直线电机、曲柄连杆电机等机械振子的阻抗匹配方法，实现了750W的电功输出，这是国际上首次对行波热声发电系统的匹配特性开展系统的研究，为多声源系统的耦合、协同工作提供了重要指导；然后，在多声源热声系统中发现了“拍频效应”，结合热声时域网络模型和实验研究，探究了“拍频现象”对系统的影响。最后，对多回热循环耦合型的热声发动机及其发电系统开展了系统的数值模拟研究，搭建了一台三热声核行波热声发动机，其起振温差可低至44 K，最大压比接近1.3，同时开展了发动机环路中的射流抑制实验，验证了导流的必要性。以上研究为探求实现大功率高效行波热声转换的有效途径，推动热声技术的工业化应用奠定了坚实的理论基础。