張 爽 羅二倉(cāng)

(1中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)(2中國(guó)科學(xué)院研究生院 北京 100049)

1 引言

熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)是一種將熱能轉(zhuǎn)換為聲功的新型熱機(jī)，因其無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)行安全可靠、對(duì)環(huán)境友好而受到人們的廣泛關(guān)注。熱聲能量的轉(zhuǎn)換在很大程度上決定于壓力波動(dòng)與體積流率波動(dòng)之間的相位差。體積流率可表示成與壓力波動(dòng)同相的行波分量和與壓力波動(dòng)相位相差π/2的駐波分量之和，只有行波分量才能產(chǎn)生聲功［1］。因此，使聲場(chǎng)中行波分量盡量增大對(duì)提高熱聲機(jī)械轉(zhuǎn)換效率具有積極的意義。行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的概念最早由美國(guó)的Ceperley于1973年提出，但他對(duì)降低行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生熱功轉(zhuǎn)換核心部件－回?zé)崞髯杩箾]有提出有效降低的技術(shù)方案，因此并沒有研制出可工作的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)［1］。1998年，在行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展之初，日本的Yazaki、Iwata等人提出了環(huán)形管行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)［2］，他們?cè)谘芯恐幸庾R(shí)到由于發(fā)動(dòng)機(jī)板疊處聲阻抗低，工作氣體振動(dòng)速度較大，造成了嚴(yán)重的粘性損失，限制了行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，但是并沒有提出妥善的解決方案。隨后，美國(guó)的Backhaus和Swift等人提出的熱聲斯特林熱機(jī)［3］及一些類似結(jié)構(gòu)的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)［4］，雖然在系統(tǒng)性能上有了很大的提高，但是諧振管部分基本仍是以駐波聲場(chǎng)為主，諧振管中貯存了一定的能量無(wú)法得到充分的回收和利用。2010年，荷蘭的Kees de Blok提出了一種新型4階行波熱聲發(fā)電機(jī)［5］，其結(jié)構(gòu)與Yazaki等人環(huán)形管行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)類似，但是增大了回?zé)崞鞯拿娣e，使得工作氣體振蕩速度在回?zé)崞骼镉行Ы档?，解決了Yazaki等人環(huán)形管行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞髦姓承該p失的問(wèn)題。

本文針對(duì)一種閉合環(huán)路聲學(xué)共振多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的工作機(jī)理進(jìn)行了分析。該發(fā)動(dòng)機(jī)的聲場(chǎng)中行波分量較大，沿程壓力波動(dòng)與體積流率波動(dòng)相位差較小。同時(shí)，通過(guò)增大回?zé)崞鳈M截面積，可有效降低了回?zé)崞鲀?nèi)部氣體振蕩速度，有效降低了回?zé)崞鲀?nèi)的粘性損失，使得這一發(fā)動(dòng)機(jī)具有潛在高效率。理論上可以將任意多個(gè)基本單元串接在一個(gè)環(huán)路中，在較為緊湊的結(jié)構(gòu)下獲得更多的聲功，具有發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。本文通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，重點(diǎn)對(duì)環(huán)路聲學(xué)共振4級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的沿程分布進(jìn)行了考察，并比較了4級(jí)、8級(jí)、16級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。

2 環(huán)路聲學(xué)共振多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)原理

環(huán)路聲學(xué)共振多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是由4個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的基本單元構(gòu)成，每個(gè)基本單元包括回?zé)崞鲉卧椭C振管單元兩大部分?；?zé)崞鲉卧ㄖ魉淦?、回?zé)崞?、加熱器，諧振管單元包括熱緩沖管、次水冷器以及諧振管?；?zé)崞鲉卧捎梅叫谓Y(jié)構(gòu)并具有較大的橫截面積，而諧振管單元橫截面為圓形，且面積相對(duì)較小。主要結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

圖1 環(huán)路聲學(xué)共振多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of a looped multi-stage traveling wave thermoacoustic engine

表1 環(huán)路聲學(xué)共振多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Dimensions of looped multi-stage traveling wave thermoacoustic engine

回?zé)崞髦械恼承該p失對(duì)于行波系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是非常重要的。增大回?zé)崞鞯臋M截面積，對(duì)于體積流率波動(dòng)影響較小，但可以有效降低回?zé)崞髦袣怏w振蕩速度，從而降低了回?zé)崞髦械恼承該p失。盡管突變截面會(huì)導(dǎo)致一些能量損失，但是通過(guò)對(duì)連接處流動(dòng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠預(yù)期這些損失的影響將有效降低。

在環(huán)路結(jié)構(gòu)中，諧振管中的能流能夠傳遞給下一個(gè)基本單元，得到回收，因此應(yīng)該可以獲得更高的效率。同時(shí)，環(huán)形結(jié)構(gòu)有利于加入多個(gè)基本單元，在保持整個(gè)環(huán)路中所有的諧振管單元總長(zhǎng)度一定的情況下，系統(tǒng)的一些性能參數(shù)變化不大，但是更多的回?zé)崞鲉卧軌虍a(chǎn)生更多的聲功，從比例上來(lái)說(shuō)，單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)也變得相當(dāng)緊湊。

3 環(huán)路聲學(xué)共振多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)性能分析

3.1 計(jì)算模型

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算分析了環(huán)路聲學(xué)共振多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能，模擬中采用了DeltaEC6.2軟件［6］。對(duì)于氣體工質(zhì)，其控制方程如下［7］:

式中:p1和U1為一階壓力波動(dòng)幅值和體積流率;i為虛數(shù)符號(hào);ω為角頻率;A為流道截面積;ρm，pm，tm分別表示氣體的平均密度、壓力和溫度;γ，cp，k，σ為氣體的比熱比、比定壓熱容、熱導(dǎo)率和普朗特?cái)?shù);復(fù)變量fυ和fκ與流道的幾何參數(shù)和工質(zhì)的物性參數(shù)有關(guān)，As和ks表示流道固體的截面積和熱導(dǎo)率;ξ為壁面熱物性參數(shù)的修正系數(shù);Re和Im分別表示取實(shí)部和虛部;～表示取復(fù)數(shù)的共軛;‖為復(fù)數(shù)的幅值;為總功為單位長(zhǎng)度的加熱量。

3.2 環(huán)路聲學(xué)共振4級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)性能分析

本節(jié)主要對(duì)環(huán)路聲學(xué)共振4級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的無(wú)負(fù)載性能進(jìn)行分析。由于系統(tǒng)的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此只對(duì)其中一個(gè)基本單元進(jìn)行討論。在整個(gè)閉合環(huán)路中，體積流率和壓力波動(dòng)的相位均分別變化了360°，因此，對(duì)于環(huán)路聲學(xué)共振4級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中的一個(gè)基本單元來(lái)說(shuō)，其進(jìn)口和出口處的體積流率和壓力波動(dòng)的相位分別變化了90°。計(jì)算中平均工作壓力pm為2.5 MPa，主水冷器與次水冷器壁溫tc1、tc2均為室溫20℃，加熱器壁溫th固定為180℃。加熱器壁溫不是很高，有利于采用低品位能源驅(qū)動(dòng)。

圖2—圖6給出了壓力波動(dòng)幅值p1、壓比pr、體積流率U1、氣體振蕩速度V、相位角ph、聲功率E以及總能流H沿裝置長(zhǎng)度x的沿程分布(位置說(shuō)明:0—0.022 m主水冷器;0.022—0.032 m回?zé)崞?0.032—0.054 m加熱器;0.054—0.154 m熱緩沖管;0.154—0.174 m次水冷器;0.174—1.754 m諧振管)。

圖2 壓力波動(dòng)幅值與壓比沿程分布Fig.2 Distribution of pressure amplitude and pressure ratio

圖3 體積流率與氣體振蕩速度沿程分布Fig.3 Distribution of volume flow rate and velocity

圖4 相位沿程分布Fig.4 Distribution of phase

圖5 聲功率沿程分布Fig.5 Distribution of acoustic power

圖6 總能流沿程分布Fig.6 Distribution of total energy

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，其諧振頻率f為133.51 Hz，在一個(gè)基本單元中，加熱器加熱量Qin為10 409.3 W時(shí)，回?zé)崞鳟a(chǎn)生凈聲功率為857.2 W，熱聲轉(zhuǎn)換效率達(dá)到8.2%，諧振管單元消耗聲功率為663.5 W(圖5)。

由圖2可知，系統(tǒng)中壓力波動(dòng)幅值與壓比的沿程波動(dòng)不是很大，環(huán)路中形成一個(gè)較為理想的近純行波聲場(chǎng)，能夠產(chǎn)生和傳遞更多的聲功。主水冷器入口處壓力波動(dòng)振幅與壓比均達(dá)到最大值，壓力波動(dòng)振幅最大值為0.41 MPa，壓比最大值為1.39。

圖3所示，系統(tǒng)中體積流率沿程波動(dòng)幅度較小，最大體積流率與最小體積流率相差僅為13.0%。因此可以認(rèn)為，變橫截面積對(duì)系統(tǒng)中的體積流率影響不大。然而，在諧振管單元中，氣體振蕩速度高達(dá)89 m/s以上，而回?zé)崞鲉卧校瑲怏w振蕩速度低于8.2 m/s。通過(guò)增大回?zé)崞鲉卧臋M截面積，有效降低了回?zé)崞髦袣怏w振蕩速度，從而降低回?zé)崞鞯恼承該p失，并且對(duì)系統(tǒng)的體積流率和聲功率影響均較小。

從圖4中可知，沿程壓力波動(dòng)與體積流率的相位差僅在－15.8°—9.5°的范圍內(nèi)，并在回?zé)崞鲀?nèi)達(dá)到0°，聲場(chǎng)中行波分量較大，相位比較理想，這將有利于聲功的產(chǎn)生與傳遞。

綜上，在環(huán)路聲學(xué)共振4級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)路中，壓力波動(dòng)與體積流率接近同相，能夠有效地產(chǎn)生和傳遞聲功，具有潛在的高效率。增大回?zé)崞鲉卧臋M截面積有效降低了回?zé)崞鲀?nèi)部氣體振蕩速度，從而降低了回?zé)崞鲀?nèi)的粘性損失?；?zé)崞鳟a(chǎn)生凈聲功率為857.2 W，熱聲轉(zhuǎn)換效率達(dá)到8.2%，最大壓比為1.39。

3.3 環(huán)路聲學(xué)共振4級(jí)、8級(jí)、16級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比

理論上來(lái)講，可以將任意多個(gè)基本單元串接進(jìn)環(huán)路中，通過(guò)調(diào)整每個(gè)基本單元中諧振管的長(zhǎng)度來(lái)保證整個(gè)環(huán)路中諧振管單元的總長(zhǎng)度一定，這樣，對(duì)系統(tǒng)的諧振頻率等性能參數(shù)的影響不大，但是更多的回?zé)崞鲉卧獏s可以產(chǎn)生更多的聲功，而且，在比例上來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)更加緊湊?；谝陨峡紤]，本節(jié)著重對(duì)比了環(huán)路聲學(xué)共振4級(jí)、8級(jí)以及16級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

在計(jì)算中，保持整個(gè)環(huán)路中所有諧振管單元的總長(zhǎng)度一定。即4級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中，一個(gè)基本單元中的諧振管單元(包括熱緩沖管100 mm、次水冷器20 mm和諧振管1 580 mm)的長(zhǎng)度為1 700 mm，整個(gè)環(huán)路中所有諧振管單元的總長(zhǎng)度為6 800 mm。那么在8級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中，保證整個(gè)環(huán)路中諧振管單元的總長(zhǎng)度不變，一個(gè)基本單元中的諧振管單元長(zhǎng)度即為850 mm，其中熱緩沖管的長(zhǎng)度100 mm、次水冷器長(zhǎng)度20 mm，諧振管長(zhǎng)度則為730 mm。同理，在16級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中，一個(gè)基本單元中的諧振管長(zhǎng)度為305 mm。除了單個(gè)基本單元諧振管長(zhǎng)度不同外，4級(jí)、8級(jí)、16級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的其它所有結(jié)構(gòu)尺寸均相同。在整個(gè)閉合環(huán)路中，體積流率和壓力波動(dòng)的相位均分別變化了360°，因此對(duì)于4級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)基本單元，其進(jìn)口和出口處的體積流率和壓力波動(dòng)的相位分別變化了90°。同理，8級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)基本單元，其進(jìn)、出口處的體積流率和壓力波動(dòng)的相位分別變化了45°;16級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)基本單元，其進(jìn)、出口處的體積流率和壓力波動(dòng)的相位分別變化了22.5°。計(jì)算中，對(duì)于各級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，平均工作壓力pm均為2.5 MPa，主水冷器與次水冷器壁溫tc1、tc2均為室溫20℃，加熱器壁溫th固定為180℃。

圖7—圖12分別給出了壓力波動(dòng)幅值p1、壓比pr、體積流率U1、相位角ph、聲功率E以及總能流H沿裝置長(zhǎng)度x的沿程分布。

圖7 壓力波動(dòng)幅值沿程分布(a)基本單元(b)回?zé)崞鲉卧狥ig.7 Distribution of pressure amplitude(a)for a basic unit(b)for a regenerator unit

圖8 壓比沿程分布(a)基本單元(b)回?zé)崞鲉卧狥ig.8 Distribution of pressure ratio(a)for a basic unit(b)for a regenerator unit

圖9 體積流率沿程分布(a)基本單元(b)回?zé)崞鲉卧狥ig.9 Distribution of volume flow rate，(a)for a basic unit，(b)for a regenerator unit

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，4級(jí)、8級(jí)、16級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的諧振頻率分別為133.51、120.15、102.29 Hz，依次略有降低。這可能是因?yàn)楦呒?jí)數(shù)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞鲀?nèi)部阻力略大。

圖10 壓力波動(dòng)與體積流率相位差沿程分布，(a)基本單元(b)回?zé)崞鲉卧狥ig.10 Distribution of phase delay，(a)for a basic unit，(b)for a regenerator unit

圖11 聲功率沿程分布(a)基本單元(b)回?zé)崞鲉卧狥ig.11 Distribution of acoustic power，(a)for a basic unit，(b)for a regenerator unit

圖12 總能流沿程分布(a)基本單元(b)回?zé)崞鲉卧狥ig.12 Distribution of total energy，(a)for a basic unit，(b)for a regenerator unit

在一個(gè)基本單元中，4級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)加熱器加熱量為10 409.3 W時(shí)，回?zé)崞鳟a(chǎn)生凈聲功率為857.2 W，熱聲轉(zhuǎn)換效率為8.2%;8級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)加熱器加熱量為9 281.6 W時(shí)，回?zé)崞鳟a(chǎn)生凈聲功率為596.4 W，熱聲轉(zhuǎn)換效率為6.4%;16級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)加熱器加熱量為7 487.1 W時(shí)，回?zé)崞鳟a(chǎn)生凈聲功率為431.8 W，熱聲轉(zhuǎn)換效率為5.8%。因此，隨著環(huán)路中串入的基本單元數(shù)量的增多，單個(gè)基本單元回?zé)崞鳟a(chǎn)生的凈聲功率有所下降，熱聲轉(zhuǎn)換效率也有所下降。這是因?yàn)榛責(zé)崞髦凶枇υ龃笤斐赡芰繐p失增加，以及相位分布變化。通過(guò)對(duì)高級(jí)數(shù)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞鲉卧慕Y(jié)構(gòu)尺寸以及回?zé)崞鲉卧c諧振管單元的橫截面積比的優(yōu)化，可以預(yù)期達(dá)到更好的熱聲轉(zhuǎn)換性能。圖11b中，在回?zé)崞鞑糠?0.022—0.032 m)，4級(jí)、8級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞骼锏穆暪β适茄爻躺仙?而16級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的回?zé)崞髦校暪β视? 628.7 W上升至最大值6 063.7W后又有所下降，至6 060.5 W。這也恰好說(shuō)明了高級(jí)數(shù)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的回?zé)崞髦心芰繐p失對(duì)回?zé)崞鳟a(chǎn)生聲功率的影響。即便在目前的情況下，整個(gè)環(huán)路中回?zé)崞鳟a(chǎn)生的總的凈聲功率，4級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)為3 428.8 W;8級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)為4 771.2 W;16級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)為6 908.8 W，在整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸變化不大的情況下，顯然更高級(jí)數(shù)的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)能夠產(chǎn)生更多的凈聲功率。

由圖7、圖8可知，隨著環(huán)路中串入的基本單元數(shù)量的增加，壓力波動(dòng)幅值與壓比在總體上呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，主水冷器入口處仍然是壓力波動(dòng)幅值與壓比最大處。4級(jí)、8級(jí)、16級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)最大壓力波動(dòng)幅值分別為0.410、0.364、0.328 MPa，最大壓比分別為1.39、1.34、1.30。由于在高級(jí)數(shù)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，總能流隨著級(jí)數(shù)的增加，整體趨勢(shì)上減小，因此壓力波動(dòng)也減小。在平均工作壓力相同的情況下，壓比與壓力波動(dòng)的變化趨勢(shì)一致。

圖9給出了4級(jí)、8級(jí)、16級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)體積流率的沿程分布。從大體趨勢(shì)上來(lái)說(shuō)，更高級(jí)數(shù)的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，體積流率會(huì)有所降低。特別是在諧振管單元中的體積流率，會(huì)有較為明顯的降低。由于諧振管的橫截面積是一定的，因此，高級(jí)數(shù)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)諧振管單元中氣體振蕩速度相對(duì)低級(jí)數(shù)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)要低，因此，4級(jí)、8級(jí)、16級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)諧振管單元內(nèi)消耗的聲功率也會(huì)降低。結(jié)合圖11可知，單個(gè)基本單元中，4級(jí)、8級(jí)、16級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)諧振管單元消耗的聲功率分別為663.5、237.8、25.5 W;對(duì)于整個(gè)環(huán)路來(lái)說(shuō)，4 級(jí)、8 級(jí)、16 級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)諧振管單元消耗的總聲功率分別為2 654.0、1 902.4、408.0 W。

由圖10可知，在4級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中，壓力波動(dòng)與體積流率的相位差在－15.8°到9.5°之間;8級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)壓力波動(dòng)與體積流率的相位差則在－21.2°到－6.4°之間;16級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)壓力波動(dòng)與體積流率的相位差在 －34.7°到 －28.0°之間。由此可知，隨著串入環(huán)路中基本單元數(shù)量的增多，系統(tǒng)聲場(chǎng)中的駐波分量增大，而行波分量減小。但是總體上，聲場(chǎng)中的行波分量仍占較大部分，聲場(chǎng)仍是較為理想的。

由圖12可知，4級(jí)、8級(jí)、16級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)相比較，環(huán)路中串入的基本單元數(shù)目越多，整體上總能流就越少。但是回?zé)崞髦械目偰芰鲄s非常接近。

綜上，環(huán)路聲學(xué)共振4級(jí)、8級(jí)、16級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)相比較，在環(huán)路中串接入更多的基本單元，會(huì)導(dǎo)致諧振頻率、壓力波動(dòng)幅值、壓比、體積流率、單個(gè)基本單元回?zé)崞鳟a(chǎn)生凈聲功率、熱聲轉(zhuǎn)換效率以及總能流的少量下降，同時(shí)會(huì)使得聲場(chǎng)中的行波分量減小。但總體上，系統(tǒng)仍能達(dá)到較為理想的工作性能。通過(guò)對(duì)高級(jí)數(shù)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞鲉卧慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化以及回?zé)崞鲉卧c諧振管單元橫截面積比的優(yōu)化，能夠使得高級(jí)數(shù)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的性能達(dá)到更佳狀態(tài)，使環(huán)路聲學(xué)共振多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)具有很好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

對(duì)環(huán)路聲學(xué)共振多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的工作機(jī)理進(jìn)行了研究。首先分析了環(huán)路聲學(xué)共振4級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)負(fù)載工作性能，環(huán)路中的聲場(chǎng)行波分量較大，壓力波動(dòng)與體積流率相位差較小，具有潛在的高效率。增大回?zé)崞鲉卧臋M截面積有效降低了回?zé)崞鲀?nèi)部氣體振蕩速度，從而降低了回?zé)崞鲀?nèi)的粘性損失。一個(gè)基本單元回?zé)崞鳟a(chǎn)生凈聲功率857.2 W，熱聲轉(zhuǎn)換效率達(dá)到8.2%，最大壓比為1.39。進(jìn)一步對(duì)比了環(huán)路聲學(xué)共振4級(jí)、8級(jí)、16級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能，計(jì)算結(jié)果表明，增加環(huán)路聲學(xué)共振多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的級(jí)數(shù)會(huì)導(dǎo)致諧振頻率以及工作性能參數(shù)的略微降低，聲場(chǎng)中的行波分量略有減少，但仍能獲得較為理想的工作狀態(tài)。同時(shí)高級(jí)數(shù)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)產(chǎn)生凈聲功率增加，諧振管消耗聲功率降低，相對(duì)結(jié)構(gòu)更為緊湊。對(duì)高級(jí)數(shù)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化將會(huì)使得高級(jí)數(shù)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能參數(shù)有所提高，這將是下一步的工作重點(diǎn)。

1 Ceperley P.A pistonless Stirling engine－the traveling－wave heat engine［J］.J Acoust Soc Am，1979，66:1508－1513.

2 Yazaki A，Iwata T，Maekawa T，et al.Traveling Wave Thermoacoustic Engine in a Looped Tube ［J］.Physical Review Letters，1998，81(15);3128－3131.

3 Backhaus S，Swift G W.A Thermoacoustic Stirling Heat Engine［J］.Nature，1999，399:335－338.

4 Luo Ercang，Ling Hong，Dai Wei.A High Pressure－ratio，Energy－focused Thermoacoustic Heat Engine with a Tapered Resonator［J］.Chinese Science Bulletin，2005，50(3):284－286.

5 Kees de Blok.Novel 4－stage Traveling Wave Thermoacoustic Power Generator［C］.Proceedings of ASME 2010 3rd Joint US－European Fluids Engineering Summer Meeting and 8th International Conference on Nanochannels，Microchannels，and Minichannels，Montreal Canada:2010.FEDSM－ICCMM2010－30527.

6 Ward B，Clark J，Swift G.Design Environment for Low－Amplitude Thermoacoustic Energy Conversion［M］，DELTAEC Version6.2 Users Guide，2008.

7 Swift G W.Thermoacoustics:a unifying perspective for some engines and refrigerators［M］.New York:AIP Press，2002.