行波热声发动机末端耦合方式研究

　　1 引 言

　　热声驱动低温制冷机是一种完全无运动部件的新型热力机械，它具有可靠性高、热源适应性好以及环保等诸多优点，在空间技术、天然气液化工业以及环保和制冷行业等多方面具有重要的应用前景。

　　2005 年，中国科学院理化技术研究所罗二仓研究小组提出了聚能型行波热声发动机[1]，采用锥形谐振管，可以抑制高次谐波的产生，使声波能量有效地集中在基频模态上，同时减少声功的粘性耗散，有效地提高了行波发动机的压比及效率。研究表明，行波热声发动机在效率和净输出功上都已经达到了较高的水平[1-2]，其产生的声功可以通过耦合各种声学负载( 制冷机、直线电机或者其它有效负载) 输出利用。他们以聚能型行波热声发动机驱动脉冲管制冷机首次突破液氮温度并到达了 68. 8 K 的最低温度[3]，之后引进“声学压力波放大器”并进行改进，在一台两级脉冲管制冷机上成功获得 18. 1 K 的制冷温度，在国际上首次突破液氢温区[4]。2006 年，以聚能型行波热声发动机驱动一台行波热声制冷机，在 -22℃ 时获得了 300 W 的制冷量[5]。在此前的研究中，发动机与制冷机多采用旁通耦合方式连接，实际上发动机与负载的耦合位置并无特定限制，但是耦合位置对于系统的性能有着至关重要的影响。对行波热声发动机和制冷机形成的耦合系统的研究表明[6]，在旁通耦合模式中，制冷机负载位于发动机回路的出口时，锥形谐振管的作用非常明显; 而当制冷机负载采用末端耦合方式时，计算表明采用简单的直管谐振管也可以获得与旁通耦合模式中采用锥形谐振管相近的结果。

　　目前，中国国内外开展了一些负载旁通耦合时行波热声发动机声功输出特性的研究[7]，但还缺乏对末端耦合方式的系统研究。基于该原因，借助 DeltaEC 软件开展了行波热声发动机末端耦合负载的研究。作者此前的研究结果表明，负载末端耦合时，采用简单的直管谐振管，行波热声发动机也可以获得较好的性能[8]，但是此前的计算中只改变直管谐振管内径而保持长度不变，因此各系统频率有些不同，造成发动机环路声功输出特性不同。为了更公平地对不同情况进行对比分析，本文将同时改变直管谐振管的长度和内径，以使系统频率保持不变，进一步开展负载末端耦合时发动机的性能研究。

　　2 系统简介

　　Delta EC 软件计算量小、求解速度快，能模拟多种热声系统。模拟以实验室现有行波热声发动机系统为基础，系统装置如图 1 所示，由一包含换热器及回热器等声学部件的环路结构和直管谐振管组成，并在末端耦合 RC 负载，这里的 RC 负载由针阀( 提供声阻 R) 和气库( 提供声容 C) 构成。系统将转化为图 2所示的 Delta EC 程序结构。