基于气液相变的热声效应机理研究

相对于传统基于单相工质的热声转换方式，本项目拟通过基于气液相变过程的热声效应来改善热声热机性能，其学术思想在于利用气液相变的物性特征以提高低品位热源在热声热机中的适用性，强化热声转换，并提高能量密度。拟通过包含相变过程的工质微元热力循环分析，揭示基于气液相变的热声效应机理，并据此探索有利于实现高效率、高能量密度气液相变热声转换的工质热物性；从温差和压差两种相变驱动因素出发，分析气液相变过程的声阻抗特性，进而研究高效的气液相变热声转换系统构型；通过分析交变流场中瞬态蒸发和冷凝过程的特点，探索合理的换热器（加热器和冷却器）结构形式。本项目研究有望为发展低品位热源驱动的高效、高能量密度热声发动机系统提供新思路，进而为其在驱动制冷机或发电系统等方面的潜在应用奠定基础。

热声发动机基于交变流动流体的热声效应实现热能向机械能的转化，因其内部完全无固体运动部件，避免了机械摩损与滑动密封，从而具有运行可靠性高、寿命长等优点。近年来，各国学者针对热声发动机开展了深入研究，使其获得快速发展。现有热声发动机通常采用气体工质，分析其工作机理和技术现状可以发现，还存在诸如驱动热源温度较高而难以直接利用低品位热源，以及能量密度相对较小导致系统体积较大等不足，这是目前热声发动机领域亟待解决的问题。相对于传统基于单相工质的热声转换方式，本项目拟通过基于气液相变过程的热声效应来改善热声发动机的性能，其学术思想在于利用气液相变的物性特征以提高低品位热源在热声发动机中的适用性。围绕该研究主题，本项目开展的主要研究工作以及研究结果包括：（1）分别针对驻波和行波声场构建了气液相变热声转换过程的工质微元理想热力循环，揭示了气液相变热声效应的机理，并比较了不同工质气液相变热声转换过程的性能。（2）针对开式和闭式两种气液相变热声发动机系统，建立了声电类比模型，并利用该模型分析讨论了结构参数等对于该两种气液相变热声发动机性能的影响。（3）基于模拟计算结果，设计并搭建了开式和闭式两种气液相变热声发动机实验装置各一套，开展了结构参数以及不同工质的实验性能比较研究。实验结果显示：气液相变热声发动机的起振驱动温差最低可仅为19摄氏度；开式气液相变热声发动机负载液柱峰-峰位移振幅可达到135 cm；闭式气液相变热声发动机获得了17kPa的压力振幅；对于开式系统，工质在大气压下的沸点是影响其起振温度的关键因素；而对于闭式系统，饱和压力与饱和温度的对应关系决定系统的工作压力，并对压力振幅产生重要影响。（4）开展了平行平板流道内交变流动传热特性实验研究，获得了包含雷诺数、瓦伦西数、压比以及流道长径比影响的实验关联式，可为热声发动机以及脉管制冷机室温端换热器的传热设计提供指导。总体来讲，本项目从热力学的角度揭示了气液相变热声效应的机理，所建立的气液相变热声发动机实验装置能够在低于50摄氏度驱动温差条件下成功起振并稳定运行，展示了气液相变热声发动机对于低品位热源的良好适用性，为今后进一步探索低品位热源驱动的热声发动机系统奠定了良好基础。