活塞耦合的多级热声热机的机理研究

Due to the ability to make use of various forms of heat energy, which is helpful to set up a clean and low carbon energy system for the world, external combustion engines have become a focus of study in the field of thermal energy utilization. As two typical external combustion engines, thermoacoustic and Stirling engines still have some problems to be solved before they can be widely used. By combining the resonant pistons and regenerative assemblies, this project presents a new thermoacoustic-Stirling engine. Based on this configuration, the study of this project includes three parts: (1) coupling study, to reveal the thermal-acoustic-force coupling mechanism between regenerative assemblies and pistons and realize high conversion efficiency from heat to mechanical energy; (2) characteristics study under variable condition, to reveal the transferring mechanism of disturbance in the complex coupled environment of electric-force-acoustic-heat, solve the problem of piston collision and simplify the process of power network; (3) study on the resonant piston loss, to reveal the loss mechanism of high frequency unidirectional unsteady flow in micro channels and realize efficient sound power transmission. With the support of this, we expect to form a thermoacoustic heat engine system with independent property rights, and provide a new solution for energy utilization in China.

外燃式热机可利用各种不同形式的热能，有利于建立清洁低碳的能源体系，因此正成为能源利用领域的一个研究热点。但作为典型的外燃式热机，传统热声热机和斯特林热机在应用中均还存在一些问题。本项目将谐振活塞与回热器组件结合，提出了一种新的热声热机系统。研究将基于该新型热机系统开展三个方面的研究：（1）耦合研究，揭示多级热声循环的级间热-声-力耦合机理，实现高效的热功转换；（2）变工况特性研究，揭示电-力-声-热复杂耦合环境下的扰动传递机理，解决活塞的撞缸问题，简化电力上网过程；（3）谐振活塞损失研究，揭示微通道中高频单向非稳态流动损失机理，实现声功的高效传递。通过对本项目的研究，预期将形成一种具有自主实施产权的热声热机系统，为我国的能源利用提供一种的新的解决方案。

本研究项目提出了一种活塞（排出器/调相器）耦合的多级热声发电机结构，并基于该新型热机系统开展了三个方面的研究：（1）耦合机理研究，建立了多级热声循环的级间热-声-力耦合模型，获得了该新型系统的设计方法，并实现了高效的热功转换；（2）变工况与参数敏感性的研究，揭示电-力-声-热复杂耦合环境下，系统对参数变化的响应规律；（3）谐振活塞研究，提出了新的气浮气道结构和谐振活塞结构，建立了相应的气浮模型，形成了活塞漂移抑制的新方法。.通过相关内容的研究，（1）搭建了活塞耦合的热声发动机驱动的热声制冷机系统，对应的整机火用效率达到13.4%，这是目前国际上同类热驱动制冷机所获得的最高效率，高出国际同类水平30%以上。该结果不但验证了活塞耦合的多级热声发电机技术的可行性，同时验证了活塞耦合发动机和制冷机，活塞耦合多级制冷机的可行性，为热声系统的研究开辟了新的发展思路；（2）基于相关气浮支撑技术、新型排出器调相结构、活塞回中技术，建成了国际上最大的自由活塞热声发电机，单机发电功率达到了100kW以上（国际同类机型仅为17kW），如果将该热声发电技术与核能结合，可构成构成全新的紧凑、高效、静音、长续航的空间或水下发电系统，颠覆传统的核动力技术，推动相应装备的性能变革；（3）基于直线电机与发动机的耦合技术，搭建了千瓦级自由活塞热声发电机，最高热电转换效率为36%，达到了国际先进水平，该发电机可对标于美国的kilopower项目，用于十千瓦级以内空间核热驱动发电机系统。项目研究期间，共发表论文25篇，其中18篇SCI、EI收录；申请了22项国家发明专利，培养博士毕业生3名。