熱聲效應(yīng)及其應(yīng)用研究進(jìn)展

李亞清，史學(xué)強(qiáng)，張玉濤，楊超萍，張 靜

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省工業(yè)過(guò)程安全與應(yīng)急救援工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710054)

0 引 言

在可壓縮流體介質(zhì)中(第一介質(zhì))，熱聲效應(yīng)是指時(shí)均熱流與時(shí)均聲流通過(guò)具有溫度差的固體壁(第二介質(zhì))相互轉(zhuǎn)化，熱聲機(jī)械就是利用熱聲效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)一般的使用目的。早在200多年前，人們就發(fā)現(xiàn)熱與聲之間的微妙關(guān)系，其中，Putnam在其綜述提到“歌焰現(xiàn)象”，即將兩端開(kāi)口管的一端靠近燃燒的氫火焰時(shí)，開(kāi)口管會(huì)發(fā)出像風(fēng)琴管一樣的聲音[1]。人們開(kāi)始定性的研究熱聲現(xiàn)象，其中比較著名的有Soundhauss管[2]與Rijke管[3]，但是這些實(shí)驗(yàn)中觀察到的振蕩很弱，較為強(qiáng)烈的聲振蕩研究是在Ceperley提出的熱聲Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)，他將聲波代替?zhèn)鹘y(tǒng)Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件，在理論上可以達(dá)到卡諾效率[4]。1999年，Swift與Backhauss建立的新型熱聲Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)能夠達(dá)到41%的相對(duì)卡諾效率，并獲得了美國(guó)當(dāng)年的“R&D100”獎(jiǎng)[5]，這對(duì)熱聲效應(yīng)的研究產(chǎn)生極大的鼓舞。熱聲理論的研究于1868年Kirchhoff 由氣體與固體管壁的振蕩傳熱計(jì)算管道中的聲衰減開(kāi)始[6]，之后Rott建立了線(xiàn)性熱聲數(shù)學(xué)模型，對(duì)熱聲機(jī)械定量的研究有重要的意義[7]。從1990年開(kāi)始，熱聲研究集中于非線(xiàn)性熱聲理論，尤其是研究技術(shù)與研究方法的巨大發(fā)展帶動(dòng)非線(xiàn)性熱聲理論的進(jìn)步，從而可以科學(xué)地優(yōu)化熱聲機(jī)械。

根據(jù)熱聲效應(yīng)的原理，熱聲機(jī)械可分為熱致聲的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)和聲致冷的熱聲制冷機(jī)[8]。其中，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)熱能交換激起聲振蕩；熱聲制冷機(jī)通過(guò)聲波將熱能導(dǎo)出，形成低溫區(qū)。熱聲機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、且完全環(huán)保，可以將低品位熱能與聲能相互轉(zhuǎn)化，在空調(diào)制冷與能源動(dòng)力方面有著極為廣闊的應(yīng)用前景。由于結(jié)構(gòu)緊湊且無(wú)源，熱聲機(jī)械也廣泛應(yīng)用于電子散熱[9-10]、消防報(bào)警[11-13]等方面。應(yīng)用于不同領(lǐng)域的各種新型熱聲裝置不斷涌現(xiàn)，文中對(duì)熱聲效應(yīng)的相關(guān)理論、研究方法與實(shí)際應(yīng)用及已有的熱聲機(jī)械進(jìn)行了分析與總結(jié)，幫助人們更加全面的理解熱聲理論，為日后熱聲效應(yīng)的應(yīng)用、新型熱聲機(jī)械的研發(fā)及優(yōu)化提供指導(dǎo)與借鑒。

1 熱聲效應(yīng)理論

1.1 熱聲效應(yīng)定性研究

圖1 駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖Fig.1 Schematic of standing wave thermoacoustic prime mover

圖2 駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)熱力過(guò)程Fig.2 Thermodynamic processes of standing-wave thermoacoustic prime moverTp為板疊溫度；Tg為小氣團(tuán)溫度；Th為板疊高溫端溫度；Tc為板疊低溫端溫度

1.2 熱聲效應(yīng)模型

1.2.1 線(xiàn)性熱聲理論

自從20世紀(jì)60年代Rott根據(jù)Taconis振蕩以動(dòng)量方程、質(zhì)量方程以及能量方程為基礎(chǔ)，以固體為熱聲邊界建立了理想駐波聲場(chǎng)方程(Helmholtz方程)后，熱聲效應(yīng)開(kāi)始有了數(shù)學(xué)模式的定量描述[15]，其二階微分波動(dòng)方程為

(1)

Rott方程研究了氣體參數(shù)、壓力與溫度之間的關(guān)系，是熱聲發(fā)展史上的第一次完整的數(shù)學(xué)描述，對(duì)熱聲理論的定量研究具有深刻意義，之后的相關(guān)線(xiàn)性數(shù)學(xué)模型基本都是Rott小振幅線(xiàn)性模型的改進(jìn)與拓展。

近年來(lái)，隨著越來(lái)越多熱聲效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，線(xiàn)性熱聲理論不斷完善，其中Swift短板疊邊界層近似理論對(duì)經(jīng)典線(xiàn)性理論的補(bǔ)充最為重要，Swift理論主要強(qiáng)調(diào)3點(diǎn)：①板疊長(zhǎng)度與裝置相比極小，對(duì)聲場(chǎng)影響不大；②板疊熱容很大，流體的振蕩對(duì)其溫度影響很??；③板疊縱向的導(dǎo)熱可以忽略[16]。同時(shí)，Swift提出了“臨界溫度”的概念，其表達(dá)式如下

(2)

式中A為板疊橫截面積；U1為振蕩體積流率。

對(duì)于非粘性的流體介質(zhì)，當(dāng)駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，溫度梯度應(yīng)滿(mǎn)足|dTm/dx|>Tcrit，當(dāng)駐波制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)，溫度梯度應(yīng)滿(mǎn)足|dTm/dx|

1.2.2 非線(xiàn)性熱聲理論

由于熱聲機(jī)械中復(fù)雜的非線(xiàn)性溫度場(chǎng)分布以及非等溫渦流，線(xiàn)性熱聲理論在自激振蕩以及低頻高振幅熱聲轉(zhuǎn)化中顯示出很大的局限性，而非線(xiàn)性理論能解釋熱聲的能量耗散現(xiàn)象，當(dāng)前的熱聲理論研究主要集中在熱聲的非線(xiàn)性方面，采用有限元模擬軟件(Comsol Multiphysics 5.2a)模擬得到板疊端非線(xiàn)性速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)，如圖3所示，速度場(chǎng)中顏色表示速度大小(m/s)，箭頭為速度矢量(m/s)、溫度場(chǎng)中顏色表示溫度大小(K)，箭頭為熱通量矢量(W/m2)。

圖3 熱聲振蕩過(guò)程板疊出現(xiàn)的非線(xiàn)性現(xiàn)象Fig.3 Nonlinear phenomena appearing in the stack during thermoacoustic oscillation

Worlika等通過(guò)數(shù)值模擬的方法建立了熱聲制冷機(jī)的低馬赫數(shù)的不穩(wěn)定可壓縮模型，定性定量的研究了非線(xiàn)性渦流的運(yùn)動(dòng)特征、聲共振波振幅對(duì)溫度梯度的影響以及板疊結(jié)構(gòu)對(duì)能量的作用，同時(shí)還建立了一個(gè)非線(xiàn)性時(shí)域的準(zhǔn)一維近似聲學(xué)方程[17-18]。以Rijke管的非線(xiàn)性熱聲振蕩為基礎(chǔ)，韓飛等根據(jù)質(zhì)量、能量以及動(dòng)量三大守恒方程以及管口的非線(xiàn)性反射推導(dǎo)出熱聲振蕩由小擾動(dòng)增長(zhǎng)到大振幅，以及能量耗散導(dǎo)致衰減結(jié)束的整個(gè)過(guò)程的方程，還發(fā)現(xiàn)非線(xiàn)性效應(yīng)限制了管內(nèi)聲波振幅的發(fā)展，并且導(dǎo)致二次諧波[19]。Hamilton等對(duì)熱聲不穩(wěn)定性進(jìn)行大量算法研究，通過(guò)快速改變板疊中的空間導(dǎo)數(shù)，得到了熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)非線(xiàn)性效應(yīng)的二維模型和有效解[20-21]。Gong等采用數(shù)字全息技術(shù)測(cè)量板疊溫度梯度處的氣體密度振蕩，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明溫度梯度影響了氣體密度振蕩的幅度，氣體密度波動(dòng)在板疊處由于入口效應(yīng)而高度扭曲，將基于入口效應(yīng)描述的理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，結(jié)果顯示出良好的一致性，再次確認(rèn)了板疊附近的溫度與密度振蕩的高度非線(xiàn)性[22]。Kazuto Kuzuu等通過(guò)CFD模擬發(fā)現(xiàn)了換熱器周?chē)鷾u流的高能耗以及不均勻溫度梯度，其結(jié)果顯示換熱器內(nèi)出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)的溫度振蕩[23-24]。Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了一系列熱聲機(jī)械，在其實(shí)驗(yàn)過(guò)程中總結(jié)了與經(jīng)典線(xiàn)性理論不一致的現(xiàn)象(例如質(zhì)量流、聲流)，并對(duì)其作出了一些定性的描述。

1.2.3 其他熱聲理論模型

此外，隨著熱聲理論的不斷發(fā)展，各種理論相繼被提出，涉及線(xiàn)性以及非線(xiàn)性的特性，文中在表1中對(duì)其各自的適用條件及局限性進(jìn)行了歸納。

表1 其他熱聲理論模型Table 1 Other thermoacoustic theoretical models

2 熱聲效應(yīng)研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)研究

Soundhauss通過(guò)對(duì)一端開(kāi)口管(圖4(a))的閉合處加熱，發(fā)現(xiàn)聲音不是由管子的振動(dòng)引起，并且聲音的高低只與器皿的容量呈一定的規(guī)律[2]。Rijke將熱絲網(wǎng)置于管下半截(圖4(b))時(shí)，管發(fā)出聲音，當(dāng)絲網(wǎng)位于1/4處效果最好，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的聲音是不穩(wěn)定的音調(diào)[3]。Taconis發(fā)現(xiàn)當(dāng)一端開(kāi)口管的開(kāi)口端置于低溫液氮表面時(shí)(圖4(c))，管內(nèi)會(huì)出現(xiàn)聲振蕩[25]。這些實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)象對(duì)后續(xù)的理論研究及工業(yè)應(yīng)用奠定了重要的基礎(chǔ)。

Napolitano等分析了用開(kāi)孔泡沫制作的板疊的熱聲性能，研究了孔結(jié)構(gòu)對(duì)駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的功率轉(zhuǎn)換的影響，并研發(fā)優(yōu)化算法以獲得最大化熱聲駐波發(fā)動(dòng)機(jī)性能的工作頻率，管道和堆疊長(zhǎng)度[26]。Alcock等研究了一種新的可調(diào)節(jié)TADTAR(熱聲驅(qū)動(dòng)制冷機(jī))原型裝置，改變裝置的實(shí)驗(yàn)參數(shù)以計(jì)算設(shè)備的COP值，其結(jié)果得到，可調(diào)諧振器能成功地改變熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的頻率輸出，使其與熱聲制冷機(jī)所需的頻率相匹配，從而實(shí)現(xiàn)諧振，并且單個(gè)器件可以具有不同的工作點(diǎn)，這提供了引入控制系統(tǒng)的可能[27]。Yahya等介紹了評(píng)估駐波熱聲制冷機(jī)中板疊層熱性能的實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)試了不銹鋼絲，銅絲和預(yù)成形的網(wǎng)狀玻璃碳泡沫等堆疊材料，結(jié)果表明，rh/δk為2.0和1.1的不銹鋼板疊能達(dá)到最大的冷卻功率，最低的溫度以及最高的COPR值，Mylar板堆疊顯示出更好的性能，它實(shí)現(xiàn)了最大的COP，COPR和溫差分別為0.217，0.15%和7.7 ℃[28]。

圖4 熱聲效應(yīng)的典型實(shí)驗(yàn)Fig.4 Typical experiments of thermoacoustic effect

隨著基礎(chǔ)物理學(xué)儀器的進(jìn)展，熱聲實(shí)驗(yàn)變得越來(lái)越可視化。LDV(開(kāi)普勒測(cè)速技術(shù))是一種高精度的非接觸式速度場(chǎng)測(cè)定儀器，Yazaki最先使用LDV進(jìn)行熱聲實(shí)驗(yàn)，在板疊處使用透明的玻璃實(shí)現(xiàn)可視化，通過(guò)測(cè)量的數(shù)據(jù)計(jì)算得到聲功分布，發(fā)現(xiàn)駐波與行波同時(shí)存在于2種熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中[29]。Moreau通過(guò)LDV測(cè)量諧振管中的渦流速度變化，發(fā)現(xiàn)板疊的位置變化會(huì)改變渦流的狀態(tài)[30]。

PIV(粒子成像速度儀)可以不干擾流場(chǎng)而得到流動(dòng)區(qū)域的速度場(chǎng)、渦流場(chǎng)變化，可以清楚表征湍流狀態(tài)，Jaworski等使用PIV對(duì)振蕩狀態(tài)的平行板疊的入口效應(yīng)進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)在板疊周?chē)霈F(xiàn)了非常復(fù)雜的非線(xiàn)性渦流現(xiàn)象[31]。Aben等使用PIV對(duì)平行板疊內(nèi)到板疊開(kāi)口處的流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，使用無(wú)量綱數(shù)St與Re將旋渦分為雙渦、四渦、過(guò)渡區(qū)以及渦街形式，并用St與Re的比值表示板疊開(kāi)口處的渦流模式[32]。PLIF(平面激光誘導(dǎo)技術(shù))是PIV技術(shù)基礎(chǔ)上的一個(gè)附加產(chǎn)品，可以定量的對(duì)流場(chǎng)的熱傳遞進(jìn)行測(cè)定，Shi等通過(guò)PLIF與PIV組合進(jìn)行二維溫度和速度場(chǎng)測(cè)量，得到聲周期中20個(gè)階段的速度和溫度場(chǎng)分布，結(jié)果表明慣性、粘性以及熱效應(yīng)對(duì)時(shí)域局部溫度和速度的分布有較大的影響，并發(fā)現(xiàn)了溫度與速度的過(guò)沖現(xiàn)象[33]。

FLIR(紅外熱像技術(shù))通過(guò)收集熱輻射繪制成熱圖像和溫度值圖像。為了研究亥姆霍茲共振器對(duì)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)起振的影響，王波首先將FLIR應(yīng)用到熱聲研究中，發(fā)現(xiàn)亥姆霍茲共振器在起振時(shí)刻降低了壓力振幅，并增加了熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的起始溫度[34]。

HWA(熱線(xiàn)風(fēng)速儀)可以測(cè)定流場(chǎng)變化，其實(shí)驗(yàn)裝置較簡(jiǎn)化，Mao等使用熱線(xiàn)風(fēng)速儀檢測(cè)板疊后渦流脫落的速度波動(dòng)，從而獲得St數(shù)的變化特征[35]。Shi等改變板疊幾何(板疊厚度和間距)和聲驅(qū)動(dòng)(驅(qū)動(dòng)比Dr)，采用熱線(xiàn)風(fēng)速儀測(cè)量技術(shù)檢測(cè)板疊后渦流速度，得到了Re數(shù)在200～5 000之間時(shí)St數(shù)與Re數(shù)之間的相關(guān)性[36]。

2.2 數(shù)值模型

Babaei等開(kāi)發(fā)了用于綜合設(shè)計(jì)和優(yōu)化熱聲裝置的算法，其算法可以設(shè)計(jì)持續(xù)制冷的熱聲制冷機(jī)[37]。Trapp等設(shè)計(jì)了一種新穎的數(shù)學(xué)編程模型，以?xún)?yōu)化簡(jiǎn)單熱聲熱機(jī)的性能，可以測(cè)量多個(gè)熱學(xué)與聲學(xué)因素(輸出功率、粘性損失與熱損失)，同時(shí)可以?xún)?yōu)化多個(gè)目標(biāo)組件，生成Pareto最優(yōu)解的有效邊界[38]。為了簡(jiǎn)化整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的可壓縮模擬過(guò)程，Hireche等開(kāi)發(fā)小馬赫數(shù)模型，將諧振器中的一維線(xiàn)性聲學(xué)與小馬赫數(shù)粘性以及板疊部分的流動(dòng)(二維數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn))耦合，成功的捕捉到了熱聲起振的動(dòng)態(tài)特性[39]。

為了更有效地研究熱聲效應(yīng)以及進(jìn)行熱聲優(yōu)化，相關(guān)研究人員開(kāi)發(fā)出了一系列熱聲軟件。美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Swift等根據(jù)改進(jìn)的Rott線(xiàn)性熱聲理論編制了一套計(jì)算機(jī)軟件程序DeltaEC，DeltaEC主要采用一維聲近似，對(duì)波方程與能量方程進(jìn)行數(shù)值積分，能夠計(jì)算比較復(fù)雜的熱聲機(jī)械[40]。郭方中基于熱聲網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型建立了實(shí)用熱聲網(wǎng)絡(luò)計(jì)算軟件TANetwork，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)阻抗、板疊性能、聲場(chǎng)和相位進(jìn)行計(jì)算[41]。

理論模型阻礙著非線(xiàn)性因素的表達(dá)，無(wú)法捕捉到熱聲系統(tǒng)的非線(xiàn)性效應(yīng)(板疊區(qū)域的湍流，溫度的非線(xiàn)性分布)，隨著CFD(計(jì)算流體力學(xué))的發(fā)展，由于運(yùn)行簡(jiǎn)單、成本低、結(jié)果可視化的優(yōu)點(diǎn)，CFD被廣泛應(yīng)用到熱聲轉(zhuǎn)換研究領(lǐng)域。Nijeholt等利用CFD(CFX4.4)軟件對(duì)拓?fù)渥兓癁槎S的Stirling熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行模擬，在結(jié)果中發(fā)現(xiàn)了線(xiàn)性理論捕捉不到的非線(xiàn)性質(zhì)量流與渦流，為高振幅研究提供了非線(xiàn)性依據(jù)[42]。余國(guó)瑤使用CFD軟件Fluent對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行二維軸對(duì)稱(chēng)模擬，研究了邊界條件、初始條件與離散格式對(duì)CFD模擬結(jié)果的影響，在模擬結(jié)果中發(fā)現(xiàn)了高次諧波以及環(huán)路直流，并在模擬中成功的使用風(fēng)扇模型抑制了質(zhì)量流，其模擬結(jié)果數(shù)值上顯示了熱緩沖管和其他部件中渦流的多維效應(yīng)，充分表明CFD研究的有效性[43]。Skaria等對(duì)駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的平均圧力與工作流體中的工作狀態(tài)進(jìn)行了CFD(Fluent 6.3.26)模擬，將其結(jié)果與DeltaEC模擬結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果表明壓力與流體種類(lèi)對(duì)熱聲裝置的性能有著重要的影響，而且CFD比DeltaEC模擬更加接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果[44]。Zink等使用CFD(Fluent 6.3.26)建立了一個(gè)延伸的冷卻板疊，并對(duì)聲波驅(qū)動(dòng)板疊間工作氣體的冷卻狀況進(jìn)行說(shuō)明，之后，探討了諧振器曲率對(duì)熱聲效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)曲率的引入會(huì)影響壓力幅度與工作頻率[45-46]。Rogoziński等通過(guò)對(duì)比數(shù)學(xué)分析與CFD模擬(CFX)的差異，發(fā)現(xiàn)了板疊附近的湍流現(xiàn)象[47]。Belaid等使用數(shù)值方法研究熱交換器板間距對(duì)熱聲制冷機(jī)(TAR)性能的影響，測(cè)試了熱交換器板間距的幾種幾何布置，結(jié)果與DeltaEC軟件提供的結(jié)果一致，較低的換熱器堵塞比降低了渦流的尺寸和效果，并提供了更好的制冷效率[48]。

劉旭和陳宇等將溫度場(chǎng)引入9 bit格子氣模型中，模擬了板疊長(zhǎng)度與板疊位置對(duì)聲波幅度的影響、自激振蕩的變化過(guò)程與回?zé)崞鞯膬?yōu)化，結(jié)果證明格子氣法適用于熱聲效應(yīng)的模擬[49]。張曉青等采用D2Q9熱格子氣模型，研究了熱聲熱機(jī)中的駐波傳播運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)了非線(xiàn)性的渦流耗散，驗(yàn)證了格子氣的模擬效果[50]。Rahman等基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)，預(yù)測(cè)某一熱聲換熱器在某些工況下振蕩傳熱系數(shù)，其預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為一致[51]。Peng等使用遺傳算法優(yōu)化駐波熱聲制冷機(jī)中的熱聲板疊，其結(jié)果與DeltaEC建模的比較表明，該方法在預(yù)測(cè)聲場(chǎng)和能量流方面是有效的，并且根據(jù)模型得到最優(yōu)的板疊間距、孔隙率、頻率以及代表COP值的冷卻功率的Pareto前沿值[52]。

3 熱聲效應(yīng)的應(yīng)用

3.1 熱聲制冷機(jī)

微電路中的熱量堆積對(duì)其性能有很大影響，當(dāng)前的制冷機(jī)大且笨重，熱聲制冷機(jī)可以有效克服上述缺點(diǎn)。美國(guó)猶他州的聲學(xué)中心對(duì)熱聲機(jī)械與電子電路集成進(jìn)行研究，提出如圖5(a)所示構(gòu)想，并且對(duì)其進(jìn)行了理論上的論證。在常壓下，較低的能流密度會(huì)嚴(yán)重影響熱聲制冷機(jī)的效率，Direk與Petrina對(duì)微型化的熱聲制冷機(jī)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一套充壓的諧振系統(tǒng)，目的是提高能流密度，在冷端與熱端之間產(chǎn)生12.4 ℃的溫差[53-54]。Symko等使用熱聲機(jī)械對(duì)微電路中的熱量進(jìn)行管理與冷卻，開(kāi)發(fā)出了2種解決微電路熱量的新方法：①熱聲制冷機(jī)通過(guò)聲波(高頻諧振)產(chǎn)生溫度梯度，對(duì)微電路制冷(圖5(a))；②熱聲原動(dòng)機(jī)將熱量直接轉(zhuǎn)化為聲能，從而消耗熱能(圖5(b))[9-10]。

圖5 猶他州立大學(xué)的微型熱聲制冷機(jī)構(gòu)想圖Fig.5 Micro-thermoacoustic refrigeration mechanism at Utah State University

第一臺(tái)熱聲制冷機(jī)是Holfer研制的(圖7(a))，利用揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)裝置制冷，諧振管為能抑制諧波與降低損耗的球型容器，氦氣及其混合氣體為工質(zhì)，工作壓力為1.0 MPa，當(dāng)輸入諧振管的聲功為10 W，在冷區(qū)將獲得了193 K的最低制冷溫度[55]。胡鵬等研制了用于微型制冷的PZT聲驅(qū)動(dòng)器(壓電驅(qū)動(dòng)器)，與諧振管相匹配，可以得到高振幅的聲壓，在均壓2.1 MPa空管實(shí)驗(yàn)時(shí)，聲壓峰值最高可達(dá)0.3 MPa，在樣機(jī)上實(shí)驗(yàn)時(shí)，冷端與熱端的溫差以及熱端溫降達(dá)到31和15.2 ℃[56]。

Garrett等將熱聲裝置應(yīng)用于太空領(lǐng)域，建造了一臺(tái)1/4波長(zhǎng)的空間熱聲制冷機(jī)，在400 Hz的工作頻率下，制冷溫差為80 K時(shí)，得到3 W的冷量[57]。之后，Balliste又建立了1/2波長(zhǎng)的冷卻艦載雷達(dá)電子元件的熱聲制冷機(jī)，在320 Hz工作頻率條件下，制冷溫度為297 K，得到205 W的冷量[58]。余國(guó)瑤等研制了液氮溫區(qū)的300 Hz高頻駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單機(jī)脈管制冷機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)加熱功率為500 W，均壓4.0 MPa下獲得了67.5 K的最低制冷溫度[59]。

羅二倉(cāng)的團(tuán)隊(duì)建立了一種雙作用式液體活塞的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，可以顯著的提高熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，在均壓1.5 MPa，加熱功率為1 500 W時(shí)，得到1.45的壓比，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示[60]。

圖6 雙作用液體活塞的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.6 Double-acting traveling-wave thermoacoustic heat engine using liquid pistons

圖7 制冷機(jī)示意圖Fig.7 Schematic of the refrigerator

Swift與Radebaugh將熱聲驅(qū)動(dòng)器代替機(jī)械壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)小孔脈管制冷機(jī)(圖7(b))，研制成功世界上第一臺(tái)無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的制冷機(jī)，在最佳條件下能產(chǎn)生90 K的制冷溫度[61]。之后Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所以及Cryenco公司成功地研制了燃?xì)怛?qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)，該制冷機(jī)是當(dāng)前唯一的實(shí)用化熱聲制冷機(jī)[62]。到目前為止，該工程第三期針對(duì)20 000 gpd液化率的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)進(jìn)行研究，預(yù)期實(shí)現(xiàn)以15%的天然氣燃燒作為動(dòng)力，液化剩余85%的天然氣[63]。

胡劍英等設(shè)計(jì)了一種用于液化天然氣的高效1 kW級(jí)行波熱聲制冷機(jī)。加熱溫度923K，加壓氦氣7 MPa，可獲得1.17 kW的冷卻功率和14.95%的總火用效率，對(duì)加熱溫度和平均壓力對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明，在110K時(shí)，系統(tǒng)總(火用)效率為14.95%，冷卻能力為1 170 W[64].

金滔等提出了一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)和一臺(tái)制冷機(jī)結(jié)合的環(huán)形行波熱聲制冷機(jī)，重點(diǎn)研究了發(fā)動(dòng)機(jī)和制冷機(jī)的歸一化聲阻抗、體積速率和再生器中行波相關(guān)的相位關(guān)系[65]。

Sharify等構(gòu)建了由多級(jí)行波發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙環(huán)型行波熱聲制冷機(jī)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)板疊熱端溫度TH超過(guò)85 ℃時(shí)發(fā)生氣體振蕩，當(dāng)TH達(dá)到90 ℃時(shí)，觀察到制冷(-42.3 ℃)，TH=270 ℃時(shí)，可以達(dá)到-107.4 ℃的最低溫度，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)為-50 ℃時(shí)，測(cè)得的最大COP為0.029[66]。

3.2 熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)

在太陽(yáng)能發(fā)電方面，熱聲裝置可以單臺(tái)小功率運(yùn)行，也可以多臺(tái)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)大功率運(yùn)行，是太陽(yáng)能光熱發(fā)電的重要研究對(duì)象。Chen等建立了第一臺(tái)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的1/4波長(zhǎng)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)原型，使用菲涅爾透鏡將太陽(yáng)能聚集，同時(shí)使用電輔助，在開(kāi)口端1 m處產(chǎn)生120 dB的音量，之后建立的太陽(yáng)能熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)由于氣體泄漏與熱損失等原因，只能達(dá)到1.8 K的降溫效果[67]。Backhaus等建立了一個(gè)行波熱聲發(fā)電機(jī)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，可以得到24%的熱聲轉(zhuǎn)化效率，聲電轉(zhuǎn)化效率為75%，最終的熱電轉(zhuǎn)化效率18%[68]。戴巍等在熱聲脈管制冷機(jī)中加入起耦合作用的聲學(xué)放大器，在熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的二級(jí)脈管制冷機(jī)中得到18.3 K的溫度[69]。吳張華等建立了千瓦級(jí)太陽(yáng)能熱聲發(fā)電示范工程，在加熱器750 ℃時(shí)可以獲得200 W的電能[70]，如圖8所示。之后，吳張華又采用直線(xiàn)電機(jī)研制出了雙作用型的行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)，熱端換熱器的溫度為650 ℃，熱電效率為16.8%，得到了1.57 kW的電能[71]。

Bi等建立了多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)和線(xiàn)性交流發(fā)電機(jī)組成的新型行波熱聲發(fā)電機(jī)，實(shí)驗(yàn)中，氦氣加壓為6 MPa，加熱溫度與冷卻溫度分別為650和25 ℃時(shí)，最大電功率為4.69 kW，熱電效率為15.6%，最大電功率為3.46 kW時(shí)，最大熱電效率為18.4%[72].最近，吳張華建立了一個(gè)能夠利用LNG(液化天然氣)冷能的雙作用熱聲斯特林熱電發(fā)電機(jī)，該系統(tǒng)由4個(gè)單元的熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和4個(gè)端對(duì)端連接的線(xiàn)性交流發(fā)電機(jī)組成，構(gòu)成一個(gè)環(huán)路配置，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)完成LNG提供的低溫與周?chē)h(huán)境的低溫之間的熱聲斯特林循環(huán)，將外部熱能轉(zhuǎn)換為聲功。當(dāng)電阻和電容分別為160 Ω和80 μF、冷卻和加熱溫度分別為110 K和303 K，孔隙率為0.9，水力半徑為53 μm時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的最大聲功17.6 kW，最大的電能為12.4 kW[73].

胡劍英等設(shè)計(jì)一種新型熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，由壓縮機(jī)，再生組件，置換器和交流發(fā)電機(jī)組成，通過(guò)數(shù)值模擬得到當(dāng)加熱溫度為900 K時(shí)，該系統(tǒng)的總效率可達(dá)47%[74].金滔等建立了由三級(jí)環(huán)形熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)和線(xiàn)性交流發(fā)電機(jī)組成的三級(jí)環(huán)形熱聲發(fā)電機(jī)，調(diào)節(jié)外部電阻和頻率來(lái)調(diào)節(jié)線(xiàn)性交流發(fā)電機(jī)的聲阻抗，采用He-Ar混合物調(diào)節(jié)頻率，在 He-Ar混合物作為工作流體的 120 ℃的高溫下，可以實(shí)現(xiàn)1.51%的最大熱電效率，其中氦的摩爾分?jǐn)?shù)為0.63[75].

圖8 太陽(yáng)能行波熱聲發(fā)電裝置Fig.8 Solar-powered traveling-wave thermoacoustic electricity generator system

一般的工業(yè)生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生大量的低溫余熱，由于熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的起振溫度較低，可以對(duì)大部分低溫余熱進(jìn)行回收再利用。Mumith等利用DeltaEC軟件設(shè)計(jì)了能夠利用食品制造產(chǎn)生的低溫余熱的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，理論計(jì)算得到在相對(duì)較低的溫度下(150 ℃以下)，熱回收產(chǎn)生了1 029.10 W的聲功率，熱機(jī)的效率為5.42%[76].若要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中低溫余熱的有效利用，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端起振溫度格外重要。Tsuda等為了提高熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，分別研究不同的含水量以及板疊特征長(zhǎng)度對(duì)熱聲振蕩的臨界溫度影響，實(shí)驗(yàn)顯示了當(dāng)水量超過(guò)一定值時(shí)，臨界溫度突然降低，當(dāng)加入水時(shí)，板疊特征長(zhǎng)度對(duì)臨界溫度的影響變小[77]。之后，又研究了不同含水量下，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的臨界溫度特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)含水量增加一定值時(shí)，臨界溫度可降低近100 K[78].Saechan等利用日常烹飪過(guò)程中生物燃料燃燒中產(chǎn)生的廢熱作為驅(qū)動(dòng)熱源，將熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與熱聲制冷機(jī)聯(lián)用，用來(lái)冷藏處理重要的藥物，實(shí)驗(yàn)得到冷卻器的最佳位置，并在+8 ℃的儲(chǔ)存條件下，可實(shí)現(xiàn)-8.3 ℃的最低溫度和高達(dá)7 W的冷卻功率[79]。陳國(guó)邦與金滔等研制了長(zhǎng)為4 m的雙端駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了“滯后回路”現(xiàn)象，并以氮?dú)鉃楣べ|(zhì)，在2 000 W的加熱功率和2.58 MPa的充氣壓力下，實(shí)驗(yàn)得到了1.123的壓比[80]。汪雙鳳等人設(shè)計(jì)了一臺(tái)利用低溫余熱的熱聲樣機(jī)，研究發(fā)現(xiàn)在合適的板疊結(jié)構(gòu)和材料下，該樣機(jī)的最低高溫側(cè)起振溫度(熱端冷端溫度差)可達(dá)到60 ℃[81].

3.3 熱聲轟燃探測(cè)器

隨著熱聲理論的發(fā)展，熱聲機(jī)械應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，建筑火災(zāi)發(fā)生時(shí)，由于火焰向上蔓延，在頂棚形成高溫?zé)煔鈱?，這樣的高溫可以激發(fā)熱聲裝置發(fā)出報(bào)警聲信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無(wú)源報(bào)警。因此，熱聲轟燃報(bào)警器是火災(zāi)報(bào)警器的最新發(fā)展方向之一。

圖9 馬里蘭大學(xué)熱聲轟燃探測(cè)器裝置Fig.9 Thermoacoustic flashover detector of university of maryland

為了防止轟燃對(duì)消防人員的危害，馬里蘭大學(xué)的Buda-Ortins開(kāi)發(fā)了一種基于熱聲轉(zhuǎn)換的消防員頭戴式轟燃探測(cè)器原型，其結(jié)構(gòu)為1/4波長(zhǎng)駐波的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，在44 W與31 W的熱輸入功率下對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度與聲音特性進(jìn)行分析，在裝置開(kāi)口端測(cè)試得到115 dB(500 Hz)的聲音，裝置開(kāi)口端位于消防員頭部38 mm時(shí)，有較為理想的報(bào)警效果，其裝置原型如圖9(a)[11]所示。為了使裝置更加簡(jiǎn)單，Hamburger對(duì)Buda-Ortins裝置進(jìn)行了優(yōu)化，去掉了冷端換熱器，重新設(shè)定了裝置的幾何參數(shù)，可能是由于裝置氣密性不良的因素，最終沒(méi)有發(fā)出聲音，但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)加水會(huì)降低原型機(jī)發(fā)聲溫度，為了更好收集熱量，在其原型裝置的基礎(chǔ)上增加了熱管與熱收集板(圖9(b))[12]。Jeffrey對(duì)Hamburger與Buda-Ortins的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，并測(cè)試了不同板疊充填材料對(duì)裝置發(fā)聲溫度的影響。為了保證測(cè)試熱管和熱收集器的實(shí)際效果，實(shí)驗(yàn)時(shí)Jeffrey將整個(gè)熱聲轟燃探測(cè)器原型安置在熱輻射面板前，當(dāng)熱流密度為25 kW/m2，熱端換熱器達(dá)到125 ℃(7 min后)時(shí)，原型機(jī)發(fā)出聲音(圖9(c))[13]。

熱聲裝置維護(hù)成本低，有較為小巧緊湊的幾何結(jié)構(gòu)，是出色的消防警報(bào)裝置，由于裝置的裝配以及換熱問(wèn)題，馬里蘭大學(xué)對(duì)熱聲裝置的應(yīng)用研究只停在初始階段，如果能設(shè)計(jì)出良好的可應(yīng)用于消防方面的熱聲報(bào)警裝置，將對(duì)保證人民財(cái)產(chǎn)安全有著非常重大的意義。

4 結(jié) 論

從發(fā)現(xiàn)熱聲效應(yīng)到目前為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度對(duì)其開(kāi)展了大量的研究，在理論及工程應(yīng)用方面取得了很大進(jìn)步。由于無(wú)源、環(huán)保、變害為利等優(yōu)點(diǎn)，熱聲裝置在很多方面都顯示出了其獨(dú)特的優(yōu)越性及廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)以上的研究狀況，為了能夠深化理論與推廣應(yīng)用，提出一些亟待解決的問(wèn)題。

1)線(xiàn)性熱聲理論得到很大的發(fā)展，但是線(xiàn)性理論只適用于小振幅熱聲效應(yīng)，未來(lái)的熱聲應(yīng)用如熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)集中于大振幅方面，所以能夠解決大振幅的理論研究是需要突破的重點(diǎn)之一；

2)應(yīng)用先進(jìn)的物理化學(xué)測(cè)試儀器能捕捉到寶貴的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果，此外，數(shù)值模型也可以定量的計(jì)算出熱聲效應(yīng)中各狀態(tài)量的動(dòng)態(tài)變化，兩者相互印證、相互補(bǔ)充、能夠更加深刻的理解熱聲效應(yīng)，是解決非線(xiàn)性熱聲效應(yīng)的強(qiáng)有力手段；

3)由于小型熱聲制冷機(jī)中聲功率密度較低以及能量易耗散的原因，相應(yīng)的工業(yè)性研究仍然難以開(kāi)展，因而仍局限于實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室研究。對(duì)電子原件進(jìn)行冷卻的高頻微型熱聲裝置已有較為成熟的理論構(gòu)想，急需開(kāi)展微型樣機(jī)的研發(fā)工作及小型熱聲制冷機(jī)的工業(yè)性實(shí)驗(yàn)；

4)熱聲裝置結(jié)合其它結(jié)構(gòu)，例如制冷脈管、壓電設(shè)備、聲學(xué)放大器等可以有效地拓寬熱聲效應(yīng)的應(yīng)用范圍，提高熱聲機(jī)械的應(yīng)用效率。依托熱聲轉(zhuǎn)化的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在熱聲理論的指導(dǎo)下，合理設(shè)計(jì)優(yōu)化熱聲機(jī)械，實(shí)現(xiàn)其與其它結(jié)構(gòu)的有效銜接，熱聲效應(yīng)將在航空航天、清潔能源、電子散熱、消防等行業(yè)大放異彩。