行波热声热机的线性与非线性建模

我们对一个行波热声热机（TAE）进行了从静止状态到极限环的三维 Navier-Stokes 模拟。该热机由一个长变截面谐振器组成，其包裹着一个较小的环形管，管内包含高温（HHX）和常温（AHX）热交换器以及回热器（REG）。模拟解析了壁面，在所有边界施加无滑移和绝热条件，同时对 REG 和 HXs 引起的传热和阻力进行了建模。HHX 温度在 440K 至 500K 范围内变化，AHX 温度固定在 300K。声能的初始指数增长源于行波网络，这些行波沿 imposed 温度梯度方向绕 REG/HX 单元循环而被放大。一个简单的解析模型表明，这种热声不稳定性是一种类似于斯特林循环的拉格朗日热力学过程。基于 Rott 理论的全系统线性稳定性模型能够准确预测频率和增长率，表现出与超临界 Hopf 分岔一致的特性。极限环由声流主导，这是一种由高声幅声学产生的整流流。其关键特征通过一个轴对称不可压缩模型进行了解释，该模型由从可压缩计算中提取的波致应力驱动。这些特征包括 Gedeon 声流以及由流动分离引起的平均再循环。前者驱动热流体从 HHX 向热缓冲管（TBT）中的二次热交换器（AHX2）的平均平流，这对于实现声能增长的饱和是必要的。对能流的直接评估表明，器件的效率随驱动比而降低，且 TBT 中的声功率主要由平均平流和热声热输运来平衡。