回热器参数与热声系统动态特性的实验研究

    1 引 言

    回热器轴向在一定的温度梯度[1]条件下,在回热器的自组织作用下,使以宽频带噪声振荡的流体工质中远离系统本征频率的振荡分量被滤掉,而在系统本征频率附近的振荡分量得到维持,形成了能量在系统本征频率附近的集中。与此同时由于振荡流体与固体界面的热接触和粘性接触使声波也发生衰减,热驱动热声系统自激振荡形成演化的过程正是这种声振荡的不断形成和衰减的动态变化的综合结果。因此,热声系统的动态演化是在流体与固体的热接触、粘性接触以及流体振荡的共同作用下实现的,了解这3者的变化规律对深入认识系统的演变具有重要意义。图1为实验装置示意图。

    2 实验结果

    实验包括:系统从静平衡态到谐振时的声压振荡的模态演化过程和回热器内部温度变化过程的测量,其动态过程如图2和图3。

    图2中a, b, c, d 4子图表示以不锈钢丝网为填料,长36.5 mm,内径26 mm的回热器在1.6MPa充气压力条件下,振荡流体的模态演化过程。其中,图2a为热输入功率223W,丝网填料为60目时,振荡流体以高频523Hz起振并维持稳定;图2b为热输入功率179W,丝网填料为200目时,振动流体以高频528Hz起振,并转换至低频73 Hz然后息振的高低频振荡交替转换的间歇振荡;图2c为热输入功率223W、丝网填料为200目时,振荡流体以高频528 Hz起振,然后转换至低频73 Hz并维持稳定;图2d为热输入功率223W,丝网填料为300目时,振荡流体直接以低频75Hz起振并维持稳定。

    图3中a, b, c, d描述的回热器内部温度波动过程与图2中a, b, c, d的声压振荡模态成一一对应关系。(1)图2中a, c, d和图3中a, c, d表明,稳定的高频模态下,回热器温度要大于稳定的低频模态,换言之,即低频模态下有更多的无序热能转换成了有序的声能;在低频模态下,由于声波在传播过程中为克服粘性阻力所消耗的能量要大于高频模态,所以回热器的温度变化有一个先下降然后才趋于平稳的过程,而高频模态下的声波克服粘性阻力所消耗的能量较小,所以回热器的温度变化是逐渐上升并趋于平衡的过程。(2)图2b和图3b表明,高低频模态不断转换的间歇振荡它的起振温度要大于能够形成稳定低频模态振荡的起振温度,这说明系统在起振后,部分热能被转换成了声能,降低了回热器的温度;同时声波在传播过程中为克服流体的粘性阻力要消耗能量,如果这部分能量不能得到补充就势必造成回热器温度的继续下降直至系统息振。相反这部分能量得到补充就会形成声能的产生和消耗达到平衡,这样声振荡就被维持下去了。

    通过对热声系统的外在表象(声压和温度)的分析,可以知道系统的动态变化是与回热器的温度紧密相关的,而温度的变化反映了振荡流体与回热器固体界面的热接触和粘性接触对声波的放大和衰减的影响,因此可以利用系统的外在表象来深入了解热声自激振荡[2]的动态特性。