淺談對熱聲熱機發展現狀的認識

摘 要：本文以我國能源現狀為背景，從熱聲現象及理論起源入筆，細述了熱聲理論由發現到建立的過程，并進一步探討了該領域的國內外現狀，列舉了熱聲熱機研究需要的基本理論，并對熱聲熱機的發展進行了展望。

關鍵詞：能源；熱聲熱機；基本理論

0 引言

能源是一個國家經濟發展與社會進步的重要物質基礎，自1978年改革開放以來，中國經濟進入了迅猛發展的新階段。如何開發可再生能源、回收利用廢棄能源等課題的研究在當今節能減排的大背景下具有重要的意義，在諸多能源利用技術中，利用熱聲熱機進行發電得到了廣泛的研究。

1 熱聲現象及理論起源

熱聲現象早在十八世紀就被人們察覺并加以初步研究。1777年，Higgins發現在適當位置用火焰加熱兩端開口的玻璃管時，管中產生了振蕩并發出聲音，這一現象在當時被稱為“唱歌的火焰”。1850年，Sondhauss首次對類似的熱聲振蕩進行了研究，他對一端封閉的中空玻璃管的封閉端進行加熱時，管內產生了氣體振蕩現象。之后在1859年，Rijke將加熱絲放置在兩端開口的豎直管中進行加熱，同樣觀察到了強烈的聲振蕩。這些就是最初幾種典型的熱聲振蕩器。

現代熱聲理論的真正奠基始于1969年，Rottw針對Taconis振蕩問題建立了線性化的動量方程、連續性方程和能量方程，用于定量描述管內聲振蕩，并提出了相應的數值解。Rott建立的數學模型成為了經典線性熱聲理論的基礎，對之后熱聲技術的發展起到了關鍵作用。1988年，Swift在Rott工作的基礎上對線性熱聲理論進行了進一步闡述和總結，提出了短板邊界近似理論，給出了臨界溫度梯度指標，用于解釋熱致聲和聲制冷的機理。之后Swift與Ward合作開發了基于線性熱聲理論的模擬計算軟件DeltaEC用于熱聲熱機的建模和理論分析。該程序包含多種熱聲系統部件模塊，建模簡單，現被廣泛應用于熱聲系統的設計和優化。

2 國內外研究現狀及水平

國外，在美國航天局NASA的資助下，Los Alamos國家實驗室的Scott Backhaus率先開展了行波熱聲發電技術的研究。2002年，Backhaus首次提出，若給熱聲發動機匹配一個低質量、高性能的直線發電機將會創造出一個適合于深空應用的熱發電系統，以最大振幅運動時，熱聲發動機接口處輸出77W聲功，此時熱聲轉換效率ηe=18%。

2004年，Backhaus等人設計出一個行波熱聲發電系統，它將放熱器整合到直線發電機中，在進行聲電能量轉換的同時還實現了諧振管調節相位的作用，有效地縮小了體積，使其可以在深太空中為航天器提供航行動力。測試結果表明，在適當的工況下，ηe、ηa 和ηsys 均可達到最大值，分別是24%、75%和18%，此時整個系統輸出39W電功；當系統輸出電功達到最大58W時，ηsys=15%。

在國內，中國科學院理化技術研究所的羅二倉小組也展開了熱聲發電技術的相關研究工作。2007年，他們成功地研制出了一臺百瓦級行波熱聲發電系統原理樣機，實驗表明，通過調節熱端溫度以及外接負載Z的大小，該原理樣機可確保輸出100W以上電功。

2011年，羅二倉小組又設計出一臺太陽能熱發電用的行波熱聲發電系統，它包括一臺熱聲發動機和兩臺同結構的單活塞直線發電機。在實驗的過程中，通過改變活塞位移或者調節發電機的電阻負載可得：當直線發電機輸出電功達到最大446W時效，整個系統的熱電轉換率為13%；當整個系統的熱電轉換效率達到最大14.3%時，直線發電機輸出的電功為416W。

3 熱聲理論基礎

（1）熱聲基本控制方程

熱聲發動機中的可壓縮粘性流體在連續介質的假設下必須滿足流動時應當遵循的連續性方程、動量方程、能量方程以及狀態方程。這些基本控制方程為：

式中，p、 、ρ 和T分別表示流體的壓力、速度、密度和溫度；cp 、k、β 和μ 分別表示流體的定壓比熱容、熱導率、熱膨脹系數和動力粘度；t表示時間； 和φ 分別表示體積力和耗散項。熱聲系統中的氣體可視為理想氣體，其狀態方程為：

式中，Rg 表示氣體常數。

熱聲系統中的固體介質（如回熱器的多孔介質）僅需考慮其能量方程為：

式中，ρs 、cs 、Ts 、ks 分別表示固體的密度、比熱容、溫度、熱導率；f表示時間；SS 為加熱或冷卻等過程產生的源項；參數下標s表示固體。

（2）熱聲時均能量流方程

熱聲系統中的時均能量流包括總能流和聲功流。

總能流

對流體微元控制體積進行進出熱量、質量流攜帶焓及外界對其做功量的總能量守恒分析，再結合理想氣體焓值與定壓比熱容及溫度的關系，取時間及截面平均可以得到沿管道軸向的總能流的表達式：

聲功流

聲功流用于表征單位時間內聲波傳播方向上截面平均的聲能量，是壓力波動與速度波動的乘積，為一個二階量，其表達式如下：

式中，各IpU 表示壓力與體積流速之間的相位差。對式（3.8）兩邊進行求導，可以得到聲功沿聲波傳播方向的變化率為：

4.總結

熱聲熱機相比于其他熱機具有結構簡單、維護成本低、壽命長、環境友好等優勢。同時，聲電轉換器如直線電機的理論聲電轉換效率可達90%以上，而目前有報道的熱聲斯特林發電機已獲近20%的熱電轉換效率，顯示了熱聲發電的發展潛力。

參考文獻：

[1]程鵬， 行波熱聲發電機理論與實驗研究[D].北京理工大學，碩士學位論文，2016

[2] 戴巍，羅二倉等，改進型駐波發動機的實驗研究[C].中國工程熱物理年會，2004

[3] 戴巍，羅二倉，胡劍英等.改進型駐波熱聲發動機的實驗研究[J].工程熱物理學報，2005，26（3）：376-378

作者簡介：

丁昭（1996.12-），本科生，研究方向：機械電子工程