热声过程的行驻波机理分析及实验研究

本研究在声学波动理论的基础上，从基本热声公式出发，建立了线性热声理论的行驻波分解模型；分析了行波分量和驻波分量对回热器热声转换得贡献和耗散，建立了行驻波声场条件下的回热器热声转换模型，给出了声场参数、回热器结构参数以及热声热机性能参数的无因次表达式，并通过这些无因次参数的分析，提出了一种综合优化热声热机的全新的优化分析方法；结合回热器结构参数和声场参数，考虑各参数之间的相互制约关系，对热声热机的性能进行了全面的优化分析；在行驻波声场的理论分析和行驻波热声效应的分析基础上，结合现有热驱动热声热机的发展，提出成功并研制了一种新型的行驻波型热声制冷机，在输入300W加热量的条件下实现了-30°C的无负载制冷温度，并且在0°C时可以提供40W的制冷量；本研究进一步深化了对热声能量转换机理的认识，可用于指导复杂声场条件下回热器的设计和优化，对于开发高效热声热机具有重要的理论指导意义。

热声热机利用热声效应可以直接实现热能和声能之间的相互转换，是一种完全没有运动部件的新型热机，具有广泛的应用前景。基于行波或驻波机制的热声热机是目前应用最广泛的两种热声热机。但是实际热声热机内的声场并不是理想的驻波或行波，而是行波成分和驻波成分按比例沿程分布的复杂声场。本研究将在声学波动理论的基础上，建立线性热声理论的行驻波分解模型；分析行波分量和驻波分量对回热器热声转换的贡献和耗散，建立行驻波声场条件下的回热器热声转换模型；在理论和实验基础上，获得指导实际声场回热器优化设计的判据参数。本研究有助于深化对热声能量转换机理的认识，进而指导复杂声场条件下回热器的设计和优化，这对于开发高效热声热机具有重要的理论指导意义。

大振幅热声波的对流换热是传热学领域尚未充分研究的问题。本项目将建立基于大功率脉冲加热技术的热声对流换热实验台，精确测量大振幅热声过程压力、速度及温度等参数和声音信号的变化规律以及热声波的传热效应；开发适用于大振幅热声波流动及传热数值模拟的高阶稳定离散格式和高效算法，对热声波的流动及传热过程进行数值模拟；在实验研究和数值模拟的基础上进行理论分析，建立大振幅热声波对流换热的简化数学模型，查清非线性效应对其流动和传热的影响。本项目的研究将拓展热声对流换热这一新的传热学研究方向，为热声技术的应用奠定理论基础。 2100433B

甚低频次声传声器广泛地应用在国防、地震预报、环境检测等重要领域，本项目针对目前次声发生装置存在的问题和甚低频次声标准装置中的理论及技术难题，提出甚低频标准次声产生的机理及相关技术问题的研究课题。项目的研究内容包括：研究甚低频标准次声产生的基本理论问题，重点解决非刚性壁对腔体内声场分布的影响问题、声压的泄漏和热传导修正问题、外界温度和大气压变化对传声器校准结果的影响问题、腔体内大振幅非线性声场分布理论问题、声压波形失真度的成因问题；研究甚低频次声发生装置的设计理论及相关技术问题，重点解决微小间隙密封与完全密封的方法和技术问题、甚低频复合式声压反馈控制理论及技术问题；研究甚低频次声声压绝对测量理论及技术问题；研制一套用于甚低频传声器绝对校准的智能型甚低频（下限频率达到0.0001Hz）次声标准装置样机。本项目成果将应用于甚低频次声传声器的绝对校准，并最终建立甚低频次声校准的相关行业或国家标准。