熱聲熱機(jī)的研究進(jìn)展

　　對(duì)熱聲熱機(jī)和熱聲脈管制冷機(jī)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀進(jìn)行了較為全面的概述，重點(diǎn)闡述了熱聲熱機(jī)和熱聲制冷機(jī)的理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真研究方法、研究成果，尤其對(duì)熱聲脈管制冷機(jī)的數(shù)值研究方法從一維數(shù)值到二維軸對(duì)稱及三維數(shù)值研究模型進(jìn)行較為系統(tǒng)的介紹。同時(shí)對(duì)熱聲熱機(jī)的研究熱點(diǎn)、研究方法、研究方向進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并對(duì)熱聲熱機(jī)的三個(gè)發(fā)展方向：太陽(yáng)能利用和余熱利用、熱聲制冷系統(tǒng)微型化、熱聲驅(qū)動(dòng)脈管制冷作了簡(jiǎn)要的介紹。

0、引言

　　隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)能源的需求量越來(lái)越大，而傳統(tǒng)的化石能源短缺及其對(duì)環(huán)境帶來(lái)的污染，嚴(yán)重威脅著人類的生存和健康，這就需要不斷探索新技術(shù)走能源可持續(xù)發(fā)展的道路。在能源利用的眾多新領(lǐng)域中，熱聲技術(shù)非常有潛力，有著廣闊的應(yīng)用前景。

　　傳統(tǒng)的熱機(jī)是基于一定的熱力循環(huán)，利用其機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作介質(zhì)狀態(tài)的控制，完成熱能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化。熱聲技術(shù)基于熱聲效應(yīng)使得熱能與聲能之間能夠?qū)崿F(xiàn)相互轉(zhuǎn)換，即在滿足一定條件下可以將輸入的熱能轉(zhuǎn)化為聲能，產(chǎn)生熱致聲效應(yīng)或聲致冷效應(yīng)，構(gòu)成熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)或熱聲制冷機(jī)�；�于熱聲效應(yīng)工作的發(fā)動(dòng)機(jī)和制冷機(jī)有著傳統(tǒng)熱機(jī)無(wú)法與之媲美的優(yōu)點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，使用壽命長(zhǎng)；(2)工作介質(zhì)主要為惰性氣體，符合現(xiàn)代國(guó)際提倡的綠色環(huán)保理念；(3)可利用太陽(yáng)能、工業(yè)廢熱等低品質(zhì)熱源驅(qū)動(dòng)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，這些措施對(duì)提高能源綜合利用的效率有著非常積極的意義。

　　近些年來(lái)，在日常生活和國(guó)防事業(yè)中越來(lái)越多的運(yùn)用到紅外探測(cè)器、天然氣液化、血液保存和磁共振成像系統(tǒng)超導(dǎo)磁體冷卻、礦物磁分離，使得制冷與低溫技術(shù)無(wú)處不在。隨著空間技術(shù)、信息技術(shù)、生命科學(xué)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)低溫制冷機(jī)的性能要求越來(lái)越苛刻，需要更加環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高效的制冷技術(shù)。研究者一直致力于新型制冷系統(tǒng)的開發(fā)和改善，G-M型制冷機(jī)和Stirling制冷機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)和空間技術(shù)得到了廣泛的運(yùn)用，分置式斯特林制冷機(jī)及脈管制冷機(jī)等制冷系統(tǒng)也成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)，但是上述制冷系統(tǒng)存在運(yùn)動(dòng)部件會(huì)產(chǎn)生磨損、不易密封，影響了制冷效率，降低了系統(tǒng)工作壽命。為了克服此類制冷系統(tǒng)的缺點(diǎn)，用熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)取代機(jī)械壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)脈管制冷系統(tǒng)是一種理想的方案。

　　雖然熱聲技術(shù)領(lǐng)域的研究取得了顯著的發(fā)展：作為發(fā)動(dòng)機(jī)，其熱聲轉(zhuǎn)換的效率已達(dá)到30%，可以媲美內(nèi)燃機(jī)25%~40%的轉(zhuǎn)換效率，但輸出功率卻只有8W/cm2；作為制冷機(jī)，完全無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的熱聲熱機(jī)驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)已達(dá)到液氫溫度以下，但系統(tǒng)體積比較龐大，應(yīng)用范圍比較小。

　　正是在這樣的背景下，對(duì)熱聲熱機(jī)的理論和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期對(duì)發(fā)展效率體積比更高的熱聲熱機(jī)起到一定的推動(dòng)作用。

1、熱聲熱機(jī)的研究進(jìn)展

　　1.1、熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的研究進(jìn)展

　　從1777年ByronHiggins等的“會(huì)唱歌的火焰冶、1850年Sondhauss管、1877年Bosscha“逆冶Rijke振蕩等激發(fā)了探索熱聲效應(yīng)的激情。1962年，Garrett教授改進(jìn)型的Sondhauss管獲得了27W的聲功；1992年，Swift等獲得了熱聲轉(zhuǎn)換效率達(dá)9%熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)和494W聲功輸出的對(duì)稱型駐波熱聲熱機(jī)。1998年，出現(xiàn)了太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的駐波型熱聲熱機(jī)。

　　L.Skerget等利用Navier鄄Stokes(N-S)方程，并通過數(shù)值邊界積分方程求解方法域與小波域分解和耦合，對(duì)熱聲內(nèi)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，又對(duì)經(jīng)典的傅立葉熱通量模型與熱傳導(dǎo)模型進(jìn)行了研究對(duì)比；Bailliet等也分析了熱聲系統(tǒng)耦合行為對(duì)溫度梯度的影響。

　　近年來(lái)，研究者一直致力于提高熱聲轉(zhuǎn)換效率的研究。2012年，Hariharan等研究不同板疊結(jié)構(gòu)回?zé)崞鲗?duì)熱聲轉(zhuǎn)換效率的影響。2013年搭建了更高效率的雙驅(qū)動(dòng)模型樣機(jī)。

　　國(guó)內(nèi)中科院理化所、華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)等高校在熱聲學(xué)研究方面也作出了較大的貢獻(xiàn)，典型的有肖家華教授的絕熱、等溫以及一般情況等三種熱聲效應(yīng)模型；郭方中教授等熱聲網(wǎng)絡(luò)理論；羅二倉(cāng)教授等交變流動(dòng)理論和高壓比的駐波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)；陳國(guó)邦教授等雙驅(qū)動(dòng)高壓比駐波型熱聲熱機(jī)；劉才教授等的回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)頻率理論模型。

　　對(duì)于駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，流體與固體內(nèi)部之間基于不可逆的熱力循環(huán)過程，熱聲轉(zhuǎn)換效率比較低。而對(duì)于行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，其熱力循環(huán)過程類似于Stirling循環(huán)，本身有著準(zhǔn)靜態(tài)平衡過程的優(yōu)勢(shì)，其熱聲轉(zhuǎn)換的效率相對(duì)會(huì)比較高。

　　1979年，美國(guó)GeorgeMason大學(xué)Ceperley等首先提出了行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的概念；1998年，日本Yazaki等搭建的世界上第一臺(tái)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，觀測(cè)到了行波性質(zhì)的熱聲自激振蕩；1999年，Backhaus等設(shè)計(jì)的新型行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)熱聲轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了30%。

　　國(guó)內(nèi)在行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的研究領(lǐng)域同樣達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。2001年，中科院李青教授等建立高頻行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了高頻(528Hz)和低頻(76Hz)兩個(gè)模態(tài)及其模態(tài)的跳遷；2003年，浙江大學(xué)邱利民等建立的氦氣工質(zhì)的大型行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，獲得了諧振頻率為45Hz、壓比為1.19的聲波；2012年，中科院童歡等提出雙作用行波熱聲熱泵的流程，如圖1所示，研究結(jié)果顯示相對(duì)卡諾效率在59.7%~60.1%。

圖1 熱聲驅(qū)動(dòng)雙作用行波熱泵流程圖

1.主水冷器；2.回?zé)崞鳎?.高溫?fù)Q熱器；4.熱緩沖管；5.次水冷器；6.室濁換熱器；7.熱緩沖管；8.高溫?fù)Q熱器；9.回?zé)峁埽?0.室溫?fù)Q熱器

　　1.2、熱聲制冷機(jī)的研究進(jìn)展

　　1986年，Hofler實(shí)現(xiàn)了1/4波長(zhǎng)-80毅C低溫的駐波型熱聲制冷機(jī)；1990年，Swift等采用熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)替代機(jī)械式壓縮系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)，其冷端溫度達(dá)到了90K；1992年，S.Garrett等建立的1/4波長(zhǎng)的空間熱聲制冷機(jī)，采用97%的氦氣和3%的氬氣的混合工質(zhì)，獲得了5W的制冷量；隨后其1/2波長(zhǎng)以94%的氦氣和6%的氬氣為混合工質(zhì)的制冷系統(tǒng)獲得了205W的制冷量；1999年，Swift等實(shí)現(xiàn)了以2.4MPa的氬氣為工質(zhì)、冷熱端溫差達(dá)到92°的聲功回收型脈管型制冷機(jī)；2004年，美國(guó)賓州州立大學(xué)的電聲驅(qū)動(dòng)同軸行波熱聲制冷機(jī)，在-24.6°的低溫下獲得了120W的制冷量，整機(jī)卡諾循環(huán)效率達(dá)到了81%。

　　2003年，中科院羅二倉(cāng)等建立的行波熱聲制冷機(jī)，工作頻率57Hz，氦氣工質(zhì)壓力3.1MPa，冷端溫度達(dá)到了-20°，獲得80W的制冷量，隨后其行波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的行波制冷機(jī)，系統(tǒng)振蕩頻率67.5Hz，氦氣壓力為3MPa，冷端溫度在-22°時(shí)獲得了300W的制冷量輸出；2012年，中科院楊卓等提出了一種新型熱聲制冷—雙作用行波熱聲制冷機(jī)，如圖2所示，從壓比、效率等多角度考慮，該系統(tǒng)更適合行波熱聲制冷機(jī)的耦合工作，具有潛在的高效率。

圖2 制冷機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接方式簡(jiǎn)圖

1、4、7.液體活塞；2、6、9.制冷機(jī)；3、5、8.發(fā)動(dòng)機(jī)

5、熱聲熱機(jī)的發(fā)展前景

　　(1)太陽(yáng)能利用和余熱利用

　　隨著理論和實(shí)驗(yàn)研究的不斷進(jìn)展，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的起振溫度不斷降低，這對(duì)太陽(yáng)能或工業(yè)余熱等低品位熱源的利用具有決定性的作用，可以預(yù)見熱聲熱機(jī)在低品位能源利用方面有著良好的發(fā)展前景。

　　(2)熱聲制冷系統(tǒng)微型化

　　隨著電子器件的集成度和運(yùn)行頻率的提高，大型計(jì)算中心的構(gòu)建等都對(duì)其散熱能耗問題越來(lái)越敏感，傳統(tǒng)冷卻方式已經(jīng)不能滿足其單位散熱密度的要求，基于高頻微型化的熱聲制冷機(jī)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)和研究難點(diǎn)。

　　(3)熱聲驅(qū)動(dòng)脈管制冷

　　航空航天、氫能利用、天然氣液化、新型空分裝置、大型氦液化等都對(duì)低能耗的低溫制冷技術(shù)需求迫切，而熱聲驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)具有潛在的優(yōu)勢(shì)，這就為其大規(guī)模的發(fā)展提供了良好的發(fā)展機(jī)遇。