Rijke管型脉动燃烧器自激起振温度研究

［摘要］Rijke管型脉动燃烧器具有燃烧效率高、传热效率高、污染小等独特优势，因此，在锅炉和航空领域引起了广泛的关注。但是Rijke管的起振机理和自激振荡过程的控制十分复杂，使得起振温度的计算十分困难。文章根据文献中对Rijke管振荡机理的解释，经过进一步的推导和近似处理，得到了Rijke管起振温度表达式。结果表明起振温度随流量的改变有一最大值，而且Rijke管内流量只有满足一定条件时才能产生振荡。这对研究Rijke管型脉动燃烧器，以及热声热机的起振特性具有重要的理论和实用价值。

［关键词］Rijke管型脉动燃烧器；热声效应；起振温度

［作者简介］楚攀，中国能源建设集团广东省电力设计研究院工程师，博士，研究方向：电力工程勘探设计，广东广州，510663

［中图分类号］ TK223 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1007-7723（2012）08-0028-0004

自发现热声现象200多年以来，热声振荡的机理一直是人们在探索的基本问题。1887年，Rayleigh首先对热声效应进行了定性的解释[1]。他指出：在声波传递介质中，如果在其稠密的时候向其提供热量，而在其稀疏的时候从其中提取热量，则声振动会加强，反之，则声波会得到衰减，这被称为Rayleigh准则。但是，Rayleigh准则只是解释了如何维持热声振荡，对热声自激振荡的详细过程没有给出解释。

后来Rott[2]和Swift[3][4]等人经过对热声现象的定量分析，提出了“临界温度梯度”。1998年，Zhou等人发现了热声发动机的起振温度总是低于起振温度[5]。接下来，Chen等人在此基础上，进一步揭示了热声振荡“滞后回路”现象[6]。2007年， He等人经过详细的实验研究，进一步证实了这种滞后回路现象，并且还发现了“二次起振现象”[7]。2006年，Qiu等人还发现采用充放气的方式，可以大大降低系统的起振温度和消振温度[8]。热声振荡现象的发现大大推进了对热声起振机理的认识，但是热声自激振荡属于强烈的非线性问题，对起振温度的决定因素仍需要做进一步的研究。

刘继平等人通过研究气体的密度和动力粘度随温度的变化，发现了管内加热的气体流动会出现奇异性[9]。并通过考察压损与流量关系，发现在一定的流动和换热条件下，压损流量特性曲线存在两个极值，当流量在这两个极值之间时，压损对流量的导数为负，这将产生不稳定性，从而导致Rijke管内发生振荡，对热声振荡机理做了新的解释[10]。后来，邱利民等人在此基础上，进一步解释了热声系统的起振机理[11]。根据以上解释，本文通过进一步的理论推导和近似处理，对Rijke管的起振温度进行研究，得到Rijke管起振温度表达式，为Rijke管型脉动燃烧器自激振荡过程的控制和起振温度的计算提供参考。

二、起振温度

三、结果与分析

四、结论

本文根据文献中对Rijke管振荡机理的解释，经过进一步的推导，得到了Rijke管起振温度的表达式，起振温度随流量M/Mc的改变有一最大值，同时起振温度还随气体粘度和导热系数的幂指数的增大而减少。并发现Rijke管产生热声振荡，流量M/Mc必须满足一定的条件，只有当M/Mc值在一定范围内，Rijke管才有可能起振。

［参考文献］

［1］Rayleigh JWS. The Theory of Sound,2rev Edition［M］.UK:Dover Publications, 1945.

［2］Rott N T. Thermoacoustics.Advances in Applied Mechanics, 1980, 20: 135.

［3］Swift G W. Thermoacoustic engines.J Acoust Soc Am, 1988, 84: 1145.

［4］Swift G W. Analysis and performance of a large thermoacoustic prime mover. Cryogenics, 1992.

［5］Zhou SL, Matsubara Y. Experimental research of thermoacoustic prime mover［J］.Cryogenics, 1998, 38: 813-822.

［6］Chen GB, Jin T. Experimental investigation on the onset and damping behavior of the oscillation in a thermoacoustic prime mover［J］.Cryogenics, 1999, 39.

［7］刘迎文,何雅玲,沈超,等.热声系统中振荡滞后特性的试验研究［J］.工程热物理学报, 2007, 28 (3).

［8］Qiu LM, Sun DM, Tan YX, et al. Effect of pressure disturbance on onset processes in thermoacoustic engine［J］.Energy Conversion and Management, 2006, 47.

［9］刘继平,严俊杰,邢秦安,等.管内受热气体层流流动热不稳定性理论研究［J］.工程热物理学报,1998，19（6）.

［10］刘继平,严俊杰,林万超,等. Rijke管内热声振荡机理的一种新解释［J］.西安交通大学学报,2001，35（3）.

［11］欧阳录春,邱利民,张武,等.热声系统起振机理的初步研究［J］.低温工程,2002,（5）.

［12］童景山,李敬.流体热物理性质的计算［M］.北京：清华大学出版社,1982.