Rijke管型脈動(dòng)燃燒器自激起振溫度研究

［摘要］Rijke管型脈動(dòng)燃燒器具有燃燒效率高、傳熱效率高、污染小等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，因此，在鍋爐和航空領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。但是Rijke管的起振機(jī)理和自激振蕩過程的控制十分復(fù)雜，使得起振溫度的計(jì)算十分困難。文章根據(jù)文獻(xiàn)中對(duì)Rijke管振蕩機(jī)理的解釋，經(jīng)過進(jìn)一步的推導(dǎo)和近似處理，得到了Rijke管起振溫度表達(dá)式。結(jié)果表明起振溫度隨流量的改變有一最大值，而且Rijke管內(nèi)流量只有滿足一定條件時(shí)才能產(chǎn)生振蕩。這對(duì)研究Rijke管型脈動(dòng)燃燒器，以及熱聲熱機(jī)的起振特性具有重要的理論和實(shí)用價(jià)值。

［關(guān)鍵詞］Rijke管型脈動(dòng)燃燒器；熱聲效應(yīng)；起振溫度

［作者簡介］楚攀，中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院工程師，博士，研究方向：電力工程勘探設(shè)計(jì)，廣東廣州，510663

［中圖分類號(hào)］ TK223 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1007-7723（2012）08-0028-0004

自發(fā)現(xiàn)熱聲現(xiàn)象200多年以來，熱聲振蕩的機(jī)理一直是人們?cè)谔剿鞯幕締栴}。1887年，Rayleigh首先對(duì)熱聲效應(yīng)進(jìn)行了定性的解釋[1]。他指出：在聲波傳遞介質(zhì)中，如果在其稠密的時(shí)候向其提供熱量，而在其稀疏的時(shí)候從其中提取熱量，則聲振動(dòng)會(huì)加強(qiáng)，反之，則聲波會(huì)得到衰減，這被稱為Rayleigh準(zhǔn)則。但是，Rayleigh準(zhǔn)則只是解釋了如何維持熱聲振蕩，對(duì)熱聲自激振蕩的詳細(xì)過程沒有給出解釋。

后來Rott[2]和Swift[3][4]等人經(jīng)過對(duì)熱聲現(xiàn)象的定量分析，提出了“臨界溫度梯度”。1998年，Zhou等人發(fā)現(xiàn)了熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的起振溫度總是低于起振溫度[5]。接下來，Chen等人在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步揭示了熱聲振蕩“滯后回路”現(xiàn)象[6]。2007年， He等人經(jīng)過詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步證實(shí)了這種滯后回路現(xiàn)象，并且還發(fā)現(xiàn)了“二次起振現(xiàn)象”[7]。2006年，Qiu等人還發(fā)現(xiàn)采用充放氣的方式，可以大大降低系統(tǒng)的起振溫度和消振溫度[8]。熱聲振蕩現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)大大推進(jìn)了對(duì)熱聲起振機(jī)理的認(rèn)識(shí)，但是熱聲自激振蕩屬于強(qiáng)烈的非線性問題，對(duì)起振溫度的決定因素仍需要做進(jìn)一步的研究。

劉繼平等人通過研究氣體的密度和動(dòng)力粘度隨溫度的變化，發(fā)現(xiàn)了管內(nèi)加熱的氣體流動(dòng)會(huì)出現(xiàn)奇異性[9]。并通過考察壓損與流量關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在一定的流動(dòng)和換熱條件下，壓損流量特性曲線存在兩個(gè)極值，當(dāng)流量在這兩個(gè)極值之間時(shí)，壓損對(duì)流量的導(dǎo)數(shù)為負(fù)，這將產(chǎn)生不穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致Rijke管內(nèi)發(fā)生振蕩，對(duì)熱聲振蕩機(jī)理做了新的解釋[10]。后來，邱利民等人在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步解釋了熱聲系統(tǒng)的起振機(jī)理[11]。根據(jù)以上解釋，本文通過進(jìn)一步的理論推導(dǎo)和近似處理，對(duì)Rijke管的起振溫度進(jìn)行研究，得到Rijke管起振溫度表達(dá)式，為Rijke管型脈動(dòng)燃燒器自激振蕩過程的控制和起振溫度的計(jì)算提供參考。

二、起振溫度

三、結(jié)果與分析

四、結(jié)論

本文根據(jù)文獻(xiàn)中對(duì)Rijke管振蕩機(jī)理的解釋，經(jīng)過進(jìn)一步的推導(dǎo)，得到了Rijke管起振溫度的表達(dá)式，起振溫度隨流量M/Mc的改變有一最大值，同時(shí)起振溫度還隨氣體粘度和導(dǎo)熱系數(shù)的冪指數(shù)的增大而減少。并發(fā)現(xiàn)Rijke管產(chǎn)生熱聲振蕩，流量M/Mc必須滿足一定的條件，只有當(dāng)M/Mc值在一定范圍內(nèi)，Rijke管才有可能起振。

［參考文獻(xiàn)］

［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］劉迎文,何雅玲,沈超,等.熱聲系統(tǒng)中振蕩滯后特性的試驗(yàn)研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào), 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］劉繼平,嚴(yán)俊杰,邢秦安,等.管內(nèi)受熱氣體層流流動(dòng)熱不穩(wěn)定性理論研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào),1998，19（6）.

［10］劉繼平,嚴(yán)俊杰,林萬超,等. Rijke管內(nèi)熱聲振蕩機(jī)理的一種新解釋［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2001，35（3）.

［11］歐陽錄春,邱利民,張武,等.熱聲系統(tǒng)起振機(jī)理的初步研究［J］.低溫工程,2002,（5）.

［12］童景山,李敬.流體熱物理性質(zhì)的計(jì)算［M］.北京：清華大學(xué)出版社,1982.