浅谈对热声热机发展现状的认识

2018-08-10丁昭

科学与财富 2018年16期

摘要：本文以我国能源现状为背景，从热声现象及理论起源入笔，细述了热声理论由发现到建立的过程，并进一步探讨了该领域的国内外现状，列举了热声热机研究需要的基本理论，并对热声热机的发展进行了展望。

关键词：能源；热声热机；基本理论

0 引言

能源是一个国家经济发展与社会进步的重要物质基础，自1978年改革开放以来，中国经济进入了迅猛发展的新阶段。如何开发可再生能源、回收利用废弃能源等课题的研究在当今节能减排的大背景下具有重要的意义，在诸多能源利用技术中，利用热声热机进行发电得到了广泛的研究。

1 热声现象及理论起源

热声现象早在十八世纪就被人们察觉并加以初步研究。1777年，Higgins发现在适当位置用火焰加热两端开口的玻璃管时，管中产生了振荡并发出声音，这一现象在当时被称为“唱歌的火焰”。1850年，Sondhauss首次对类似的热声振荡进行了研究，他对一端封闭的中空玻璃管的封闭端进行加热时，管内产生了气体振荡现象。之后在1859年，Rijke将加热丝放置在两端开口的竖直管中进行加热，同样观察到了强烈的声振荡。这些就是最初几种典型的热声振荡器。

现代热声理论的真正奠基始于1969年，Rottw针对Taconis振荡问题建立了线性化的动量方程、连续性方程和能量方程，用于定量描述管内声振荡，并提出了相应的数值解。Rott建立的数学模型成为了经典线性热声理论的基础，对之后热声技术的发展起到了关键作用。1988年，Swift在Rott工作的基础上对线性热声理论进行了进一步阐述和总结，提出了短板边界近似理论，给出了临界温度梯度指标，用于解释热致声和声制冷的机理。之后Swift与Ward合作开发了基于线性热声理论的模拟计算软件DeltaEC用于热声热机的建模和理论分析。该程序包含多种热声系统部件模块，建模简单，现被广泛应用于热声系统的设计和优化。

2 国内外研究现状及水平

国外，在美国航天局NASA的资助下，Los Alamos国家实验室的Scott Backhaus率先开展了行波热声发电技术的研究。2002年，Backhaus首次提出，若给热声发动机匹配一个低质量、高性能的直线发电机将会创造出一个适合于深空应用的热发电系统，以最大振幅运动时，热声发动机接口处输出77W声功，此时热声转换效率ηe=18%。

2004年，Backhaus等人设计出一个行波热声发电系统，它将放热器整合到直线发电机中，在进行声电能量转换的同时还实现了谐振管调节相位的作用，有效地缩小了体积，使其可以在深太空中为航天器提供航行动力。测试结果表明，在适当的工况下，ηe、ηa 和ηsys 均可达到最大值，分别是24%、75%和18%，此时整个系统输出39W电功；当系统输出电功达到最大58W时，ηsys=15%。

在国内，中国科学院理化技术研究所的罗二仓小组也展开了热声发电技术的相关研究工作。2007年，他们成功地研制出了一台百瓦级行波热声发电系统原理样机，实验表明，通过调节热端温度以及外接负载Z的大小，该原理样机可确保输出100W以上电功。

2011年，罗二仓小组又设计出一台太阳能热发电用的行波热声发电系统，它包括一台热声发动机和两台同结构的单活塞直线发电机。在实验的过程中，通过改变活塞位移或者调节发电机的电阻负载可得：当直线发电机输出电功达到最大446W时效，整个系统的热电转换率为13%；当整个系统的热电转换效率达到最大14.3%时，直线发电机输出的电功为416W。

3 热声理论基础

（1）热声基本控制方程

热声发动机中的可压缩粘性流体在连续介质的假设下必须满足流动时应当遵循的连续性方程、动量方程、能量方程以及状态方程。这些基本控制方程为：

式中，p、、ρ 和T分别表示流体的压力、速度、密度和温度；cp 、k、β 和μ 分别表示流体的定压比热容、热导率、热膨胀系数和动力粘度；t表示时间；和φ 分别表示体积力和耗散项。热声系统中的气体可视为理想气体，其状态方程为：

式中，Rg 表示气体常数。

热声系统中的固体介质（如回热器的多孔介质）仅需考虑其能量方程为：

式中，ρs 、cs 、Ts 、ks 分别表示固体的密度、比热容、温度、热导率；f表示时间；SS 为加热或冷却等过程产生的源项；参数下标s表示固体。

（2）热声时均能量流方程

热声系统中的时均能量流包括总能流和声功流。

总能流

对流体微元控制体积进行进出热量、质量流携带焓及外界对其做功量的总能量守恒分析，再结合理想气体焓值与定压比热容及温度的关系，取时間及截面平均可以得到沿管道轴向的总能流的表达式：

声功流