热声热机的研究进展

刘益才，武 曈，方 莹，雷斌义

(中南大学制冷与低温研究所，湖南 长沙 410083)

0 引言

随着人类社会的不断发展和进步，对能源的需求量越来越大，而传统的化石能源短缺及其对环境带来的污染，严重威胁着人类的生存和健康，这就需要不断探索新技术走能源可持续发展的道路。在能源利用的众多新领域中，热声技术非常有潜力，有着广阔的应用前景。

传统的热机是基于一定的热力循环，利用其机械运动实现对工作介质状态的控制，完成热能和机械能之间的转化。热声技术基于热声效应使得热能与声能之间能够实现相互转换，即在满足一定条件下可以将输入的热能转化为声能，产生热致声效应或声致冷效应，构成热声发动机或热声制冷机。基于热声效应工作的发动机和制冷机有着传统热机无法与之媲美的优点:(1)结构简单，无运动部件，系统稳定性高，使用寿命长;(2)工作介质主要为惰性气体，符合现代国际提倡的绿色环保理念;(3)可以利用太阳能、工业废热等低品质热源驱动热声发动机，这些措施对提高能源综合利用的效率有着非常积极的意义［1］。

近些年来，在日常生活和国防事业中越来越多的运用到红外探测器、天然气液化、血液保存和磁共振成像系统超导磁体冷却、矿物磁分离，使得制冷与低温技术无处不在。随着空间技术、信息技术、生命科学等现代科学技术和工业技术的发展，对低温制冷机的性能要求越来越苛刻，需要更加环保、经济、高效的制冷技术。研究者一直致力于新型制冷系统的开发和改善，G－M型制冷机和Stirling制冷机在现代工业和空间技术得到了广泛的运用，分置式斯特林制冷机及脉管制冷机等制冷系统也成为了国内外学者研究的重点，但是上述制冷系统存在运动部件会产生磨损、不易密封，影响了制冷效率，降低了系统工作寿命。为了克服此类制冷系统的缺点，用热声发动机取代机械压缩机驱动脉管制冷系统是一种理想的方案［2－3］。

虽然热声技术领域的研究取得了显著的发展:作为发动机，其热声转换的效率已达到30%，可以媲美内燃机25%～40%的转换效率，但输出功率却只有8 W/cm2;作为制冷机，完全无运动部件的热声热机驱动脉管制冷机已达到液氢温度以下，但系统体积比较庞大，应用范围比较小。

正是在这样的背景下，对热声热机的理论和实验研究进展进行综述，以期对发展效率体积比更高的热声热机起到一定的推动作用。

1 热声热机的研究进展

1.1 热声发动机的研究进展

从1777年 Byron Higgins等的“会唱歌的火焰”、1850年 Sondhauss管、1877年 Bosscha“逆”Rijke振荡等激发了探索热声效应的激情。1962年，Garrett教授改进型的Sondhauss管获得了27 W的声功;1992年，Swift等获得了热声转换效率达9%热声发动机和494 W声功输出的对称型驻波热声热机［4］。1998年，出现了太阳能驱动的驻波型热声热机［5］。

L.S kerget等［6］利用 Navier-Stokes(N－S)方程，并通过数值边界积分方程求解方法域与小波域分解和耦合，对热声内的温度场和流场进行了数值计算，又对经典的傅立叶热通量模型与热传导模型进行了研究对比;Bailliet等也分析了热声系统耦合行为对温度梯度的影响。

近年来，研究者一直致力于提高热声转换效率的研究。2012年，Hariharan等［7］研究不同板叠结构回热器对热声转换效率的影响。2013年搭建了更高效率的双驱动模型样机［8］。

国内中科院理化所、华中科技大学、浙江大学等高校在热声学研究方面也作出了较大的贡献，典型的有肖家华教授的绝热、等温以及一般情况等三种热声效应模型;郭方中教授等热声网络理论;罗二仓教授等交变流动理论和高压比的驻波型热声发动机;陈国邦教授等双驱动高压比驻波型热声热机;刘益才教授等的回热器结构频率理论模型。

对于驻波热声发动机来说，流体与固体内部之间基于不可逆的热力循环过程，热声转换效率比较低。而对于行波热声发动机来说，其热力循环过程类似于Stirling循环，本身有着准静态平衡过程的优势，其热声转换的效率相对会比较高。

1979年，美国George Mason大学Ceperley等首先提出了行波热声发动机的概念;1998年，日本Yazaki等搭建的世界上第一台行波热声发动机，观测到了行波性质的热声自激振荡;1999年，Backhaus等设计的新型行波热声发动机热声转换效率达到了30%。

国内在行波热声发动机的研究领域同样达到了国际先进水平。2001年，中科院李青教授等建立的高频行波热声发动机实现了高频(528 Hz)和低频(76 Hz)两个模态及其模态的跳迁;2003年，浙江大学邱利民等建立的氦气工质的大型行波热声发动机，获得了谐振频率为45 Hz、压比为1.19的声波;2012年，中科院童欢等［9］提出双作用行波热声热泵的流程，如图1所示，研究结果显示相对卡诺效率在59.7% ～60.1%。

图1 热声驱动双作用行波热泵流程图

1.2 热声制冷机的研究进展

1986年，Hofler实现了1/4波长－80°C低温的驻波型热声制冷机;1990年，Swift等采用热声发动机替代机械式压缩系统驱动脉管制冷机，其冷端温度达到了90 K;1992年，S.Garrett等建立的1/4波长的空间热声制冷机，采用97%的氦气和3%的氩气的混合工质，获得了5 W的制冷量;随后其1/2波长以94%的氦气和6%的氩气为混合工质的制冷系统获得了 205 W 的制冷量［10］;1999年，Swift等［11］实现了以2.4 MPa的氩气为工质、冷热端温差达到92℃的声功回收型脉管型制冷机;2004年，美国宾州州立大学的电声驱动同轴行波热声制冷机，在－24.6℃的低温下获得了120 W的制冷量，整机卡诺循环效率达到了81%［12］。

2003年，中科院罗二仓等建立的行波热声制冷机，工作频率57 Hz，氦气工质压力3.1 MPa，冷端温度达到了－20℃，获得80 W的制冷量，随后其行波型热声发动机驱动的行波制冷机，系统振荡频率67.5 Hz，氦气压力为 3 MPa，冷端温度在－22 ℃时获得了300 W的制冷量输出;2012年，中科院杨卓等［13］提出了一种新型热声制冷—双作用行波热声制冷机，如图2所示，从压比、效率等多角度考虑，该系统更适合行波热声制冷机的耦合工作，具有潜在的高效率。

图2 制冷机与发动机的连接方式简图

2 热声热机在数值研究方面的进展

2.1 热声发动机在数值研究方面的进展

热声发动机经过近几十年的研究，取得了飞速的发展。国内外学者通过大量的实验研究，不断优化系统结构，效率不断提高，同时理论研究也不断得到了完善。但通过实验优化结构的方法通常会比较繁琐，实验数据不易采集。随着计算机性能的提高，通过数值研究优化系统的方法越来越受到国内外学者的重视。

线性热声理论得到了不断的完善和发展，利用其设计及模拟热声发动机的准确性得到了提高，Ward等编制的DeltaE(Design Environment for Lowamplitude Thermoacoustic Engines)，能有效地模拟、设计和计算热声与其他一维声学装置，但对于高马赫数和高雷诺数等非线性热声效应及其现象有着很严重的局限性［14］。1999年，德国慕尼黑工业大学的Hantschk等采用商业软件Fluent 4.4模拟了1/4波长的Rijke管，以恒温板叠为热源，实现了热声自激振荡仿真和有效的系统谐振频率。

2005 年，荷兰 Lycklama等［15］利用 CFX 4.4 对行波热声发动机进行了数值研究，成功观测到了压力从起振到饱和的过程，以及较强烈的涡流以及明显的Gedeon流现象。

2009年，美国匹兹堡大学的 Florian等［16］利用Fluent 6.3在1/4波长谐振管内建立了板叠结构回热器研究模型，在回热器两端施加温度梯度，较小的时间步长，成功捕捉到饱和压力振荡的过程，以及如图3所示的热声制冷机板叠回热器冷热两端温差，其中x*=0为制冷机回热器进口坐标，x*=5 mm为制冷机回热器出口坐标，也是制冷机回热器长度为5 mm。

图3 Florian模型数值研究的结果

2007 年，余国瑶［17］采用 Fluent 6.1 开展了对行波热声发动机的数值研究，回热器及换热器等实际模型经二维简化后为多孔介质模型，回热器两端施加一定的温度梯度，捕捉到了非线性的自激振荡过程，获得了起振温度，提出了抑制Gedeon流的方法;2008年，进一步利用Fluent 6.3研究了驻波热声发动机［18］，对板叠回热器进行了二维拓扑转换，采用流固耦合模型，观测到了回热器压力幅值从放大到饱和的过程，以及其本身的涡流场，揭示了驻波型热声发动机的热力学及声学特性，与实验研究结果较好地吻合，如图4所示。

2.2 热声制冷机在数值研究方面的进展

在对热声发动机开展数值研究的同时，对于热声制冷机的数值研究也取得了比较突出的研究成果。

图4 余国瑶数值研究与实验研究结果的对比［17］

1996年，Cao N等采用SOLA－ICE法研究了热声制冷机平行板叠周围的温度场及流场，验证了板叠的末端为热声转换的主要区域;E.Besnoin等［19］采用微挠动法，分析了板叠位置、板叠间距、扰动波幅度及其工作频率对制冷系统的影响;2003年，P.Blanc－Benon等［20］采用有限差分法得到热声制冷机回热器冷端的温度曲线。2008年，L.Zoontjens等［21］采用Fluent 6.3建立了流固耦合模型，结果表明板叠的厚度严格控制着回热器周围旋涡的产生和强度，板间距的增加提高了热传递效率但增大了熵消耗;随后分别建立了如图5所示圆状边缘、球状边缘、爪状边缘以及机翼边缘板叠模型，板叠结构的改变有助于提高制冷效率，如图6所示［22］。

图5 L.Zoontjens建立的异形板叠结构［21］δkm为平均热渗透深度(m)

3 热声脉管制冷机的研究进展

1963年，Gifford等研制了世界上第一代脉管制冷机达到了124 K的最低温度;1967年，Gifford的活塞往复运动驱动可逆型脉管制冷机达到了165 K的低温;1984年，Mikulin等节流小孔气库型无载荷改进型脉管低温达到了105 K;1986年，Radebaugh等对Mikulin方案进行了重大改进，将小孔设置在热端换热器与气库之间，采用了可调流量针阀，氦气工质无荷载时的低温达到了60 K。

图6 不同结构回热器周围温度分布

1990年，朱绍伟等［23］提出的双向进气型脉管制冷机，将旁通阀连接到往复压缩机出口与脉管热端之间，减少了回热器的负荷，使最低温度从49 K降低到42 K。2005年，邱利民等［24］提出了双阀双向进气型结构，利用型单级脉管制冷机，在无荷载的情况下获得了11 K的低温;2007年，浙江大学的孙贺等［25］优化了制冷系统回热器填料，获得了10.6 K的无负载最低制冷温度，创造了单级脉管制冷机的新记录。其后的研究主要集中在小孔－气库型、双向进气型、惯性管型等调相机构的改进中。

3.1 热声脉管制冷机在数值研究方面的进展

热声脉管制冷机的理论主要包括Gifford等表面泵热理论、Radebaugh等焓流相位理论以及向量分析法、梁惊涛等热力学非对称理论、Swift等提出的热声理论以及后来发展迅速的数值研究法。

数值研究是基于最基本的纳维－斯托克斯方程(Navier－Stokes Equation)，得出了脉管制冷系统内部各个参数的变化，不需要过多的前提和假设，就能够得出与实际比较接近的计算结果。

近20多年来，在一维数值研究方面，国内外学者开发了多种商业软件，其中包括Sage、Regen、Deltae等。基于这些数值研究的方法，国内外学者对脉管制冷系统进行了优化设计，取得了丰硕的研究成果，但还无法模拟多维效应，在大功率脉管制冷机方面存在着非常大的误差［25］。

近几年来，随着计算机性能的不断提高，CFD及CFX等商业软件成为了优化脉管制冷系统的重要手段。

2003年，Hozumi等［27］发表了基本型和小孔型脉管制冷机二维轴对称及三维数值研究模型，分析了重力及工质流向对系统的影响;Flake等［28］采用Fluent对基本型及小孔型脉管制冷机研究中发现了环流效应和射流现象。

2006年，J.S.Cha等［29］采用 Fluent建立了惯性管型脉管制冷机的二维轴对称数值研究模型，研究结果显示了CFD软件对其进行数值研究的正确性，并且发现只有在长径比大的情况下，一维模型才有效;在长近比小的情况下，二维效应非常明显，如图7所示。

图7 脉管部分多维效应

2007年，张小斌等［30］建立了小孔型脉管制冷系统的二维轴对称模型，重点分析了如图8所示的周期性压力振荡下脉管制冷系统内复杂的多维效应以及热传递的特点。

图8 温度分布特点

2010年，Y.P.Banjare等［31］建立了双进气型脉管制冷机的三维数值研究模型，分析了在不同开度小孔阀对冷端压力与质量流量之间相位关系及制冷效率的影响，数值研究与实验研究的吻合结果如图9所示。

图9 温度分布曲线

2012年，Bakhtier等［32］采用 CFD－ACE+编译了换热器及回热器的非平衡数学模型，改进了双活塞型脉管制冷机数值模型，研究结果显示了活塞的振荡及惯性管的存在直接影响系统内流体周期循环模式;由于二次旋流的充分发展而形成的脉管中心热缓冲区，有效的隔离了热端和冷端直流，强化了制冷效果。

3.2 热声制冷技术实验及应用研究进展

美国Los Alamos国家实验室Wheatley教授等成功研制了世界上第一台由扬声器驱动的驻波热声制冷机，环境温度及冷端工作温差达到了100 K。1992年，Garrett等研制了“发现号”航天飞机上的空间热声制冷机，最大温差为115℃，1995年，该小组开发了冷却海军舰船上电子系统的热声制冷机，采用94.4%的氦和5.6%的氩混合气体，获得制冷量419 W，整机效率可达到17%。1996年，美国宾夕法尼亚州立大学的热声研究小组研制了如图10所示的10 kW级大功率热声制冷机［33］，采用双Helmholtz谐振形式，左端是线性电机，右边为回热器和换热器，最终得到了18℃的温差，但其相对卡诺循环效率还比较低。

图10 线性电机驱动的热声制冷机

2008年，荷兰Tijani研究小组制作了同轴型斯特林制冷机［34］，采用直线压缩机驱动热声制冷机，得到最低无负荷制冷温度－54℃，并在－11℃下相对卡诺效率达到25%，并研究了谐振管的能量耗散机理。日本Yazaki等研制环形管行波型斯特林制冷机，调整回热器的相对位置，得到了行波环路中最低环冷端制冷温差60 K。美国Pennsylvania州立大学应用研究实验室［36］设计的冰激凌冷藏柜的行波热声制冷机，在室温环境25℃下，该制冷机可以保证容量为200 L的冰激凌冷藏柜内温度不高于－18℃。通过实验测量，该制冷机在冷负荷温度－24.6℃时，可以获得120 W的制冷量，COP值达到了0.81，相对卡诺效率19%。日本学者Y.Ueda等［35］研制了直线电机驱动丝网型回热器的行波热声制冷机，优化了回热器直径和位置，得到了冷端温度为232 K，并在制冷温度265 K时相对卡诺循环系数达到20%。缅因大学P.Lotton等［37］研制了如图11所示的双声源驱动的微小型热声制冷机，在工作压力为大气压力下最大温差达14.1 K。该装置总长度只有10.2 cm，为热声制冷机微型化提供了一个良好的方向。

图11 缅因大学微型热声制冷机

热声制冷机微型化方面，犹他州立大学声学中心从上世纪90年代就研制出尺寸从4～0.8 cm的各种微型制冷机，如图12所示的典型作品［38］为2004年设计制作的4 kHz高频热声制冷机，可用于电子元器件的冷却，目前正开展振荡频率为20 kHz级别的相关研究，也正在解决制冷量、制冷温度和频率尺寸等匹配矛盾，这为热声制冷机微型化指明了发展方向，并具有良好的应用前景。

图12 犹他州立大学微型制冷机示意图

此外，热声制冷在太阳能利用方面的研究也有了一定进展，美国海军研究生院［39］搭建的热声发动机驱动的热声制冷机，如图13所示，热源是由一个直径0.457 m的太阳能集热器提供，加热温度达到475℃，通过产生的声波驱动制冷机产生2.5 W的制冷量，冷端温降为18℃。

国内方面，浙江大学冯仰浦等［40］研制的热声制冷实验装置，在氮气工质压力0.7 MPa下获得了冷端12℃的温降。2004年，通过对该装置的改进，采用常压空气作为工质，在输入功率20 W的情况下，制冷机冷端获得了27℃的温降。

图13 太阳能热驱动热声制冷机结构示意图

2004年，中科院理化所黄云等［41］设计加工的室温型行波热声制冷机，氦气工质压力为2.0 MPa，室温与冷端温差达到了31 K。2005年驻波热声发动机驱动的热声制冷机冷端无负载最低温度达到－47℃，并在冷端温度－20℃时其制冷量达到了80 W。2006年［42］设计的行波斯特林热声发动机驱动行波斯特林热声制冷机，如图14所示，氦气工作压力3.0 MPa，得到无负载最低制冷温度－65℃，在－20℃时制冷量达到270 W。2011年［43］在制冷机与发动机连接处用有惯性质量的弹性膜片来替代惯性管，工作频率为57 Hz，在－20℃时得到340 W的制冷量，这是目前国内热驱动热声制冷机研究的最好结果。另外在热声制冷机微型化方面，中科院理化所［44］也做出了相关研究，其研制的高频微型热声制冷机获得了15.2℃的冷端温降。

图14 中科院理化所热驱动行波制冷机

中南大学［45－46］在网络理论和结构声理论指导下搭建了扬声器驱动热声制冷机，如图15所示，以氮气作为工质，分别对板叠式、丝网型以及蜂窝陶瓷三种不同类型的回热器进行相关实验对比分析，并对系统充气压力和扬声器输入频率对冷端温度的影响也进行了实验研究。

图15 中南大学驻波型热声制冷机装置简图

4 热声热机的研究热点

热声理论研究热点主要集中在:(1)网络理论、辛群理论、辛对称特性;(2)参数谐振、自激振荡、三频率参数网络模型(3个特点);受激振荡、磁场激励、电场激励(声表面波激励);(3)特征时间ωτ时变率相似分析;(4)热力学优化与格子气模拟;(5)非线性热声理论;(6)多场协同下的结构声理论等多个方面。

目前热声实验测试手段主要为:(1)粒子成像测速仪(PIV);(2)红外热像仪(温度);(3)数字万用表(温度);(4)压电式压力传感器(压力);(5)传声器(拾音器)以及差压式传感器等多个方面。

另外，在以下几个方面可开展理论和实验研究工作:(1)回热器、冷热端换热器传热与流动特性研究;(2)可以降低谐振频率，提高压力振幅的液体工质(密度大、粘度小)，液体振子特性研究;(3)充气高压4.0 MPa左右和常压工作压力特性研究;(4)高频微型化研究;(5)同轴行波和对置式双作用热声制冷机特性研究等等多个方面。

5 热声热机的发展前景

(1)太阳能利用和余热利用

随着理论和实验研究的不断进展，热声发动机的起振温度不断降低，这对太阳能或工业余热等低品位热源的利用具有决定性的作用，可以预见热声热机在低品位能源利用方面有着良好的发展前景。

(2)热声制冷系统微型化

随着电子器件的集成度和运行频率的提高，大型计算中心的构建等都对其散热能耗问题越来越敏感，传统冷却方式已经不能满足其单位散热密度的要求，基于高频微型化的热声制冷机成为一个研究热点和研究难点。

(3)热声驱动脉管制冷

航空航天、氢能利用、天然气液化、新型空分装置、大型氦液化等都对低能耗的低温制冷技术需求迫切，而热声驱动脉管制冷机具有潜在的优势，这就为其大规模的发展提供了良好的发展机遇。

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