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回热器是实现热声转换的关键,其特殊的结构又对热声转换的效率产生巨大的影响。目前对于回热器的填料材质和特殊结构所固有的声学特性,以及固体介质结构振动与气体振荡的相互作用的研究还很少。本文在前人工作的基础上,对热声回热器和热声整机从结构声的角度出发,研究了热声热机内的声场分布和各声学元件的受激振动情况。结构的本征值决定了特征波数和自由振动的频率,而回热器中的声波又是多种频率的叠加,因此存在声振荡与结构振动的耦合。
利用商业软件ANSYS重点对热声回热器和热声整机从结构动力学这一新角度进行了数值研究。建立了蜂窝陶瓷、针束等非板叠类常用回热器模型;改造了普通板叠回热器的结构,建立肋片板、微坑板回热器模型;对以上建立的各回热器及其热声整机模型进行了全面的静力分析、模态分析和谐响应分析,以及各结构动力参数对比研究;主要得到以下几点结论:
(1)随着充气压力的提高各回热器和热声热机的动力学参数基本都呈现线性增大的趋势,应力应变表现十分吻合且峰值点一一对应;
(2)不同回热器在各阶模态频率下应变不同,蜂窝陶瓷回热器动力学响应最强、板叠回热器最弱;总的来说低频段各点的应力应变较小,在5阶高阶模态之后各方向应变幅值持续增大,回热器起到激发和维持高阶热声振荡的作用;由于结构声辐射反射波作用径向y方向变化较其它两向尤为明显;
(3)热声热机不同位置的动力响应结果各不相同;热声热机的3阶、4阶模态接近气体介质的工作频率;回热器声学特性与频率存在一定关系,在某一频率下其声学特性最佳,同时结构是以多阶模态振动,故降低热声不稳定性和抑制其它阶杂波值得进一步研究;
(4)普通板叠回热器热声热机在150Hz附近(与气体介质的工作频率匹配)谐振,而异型板叠回热器热机由于结构的改变,共振频率发生变化,在高阶模态应变到达峰值,因此是否存在回热器结构与热声热机操作频率的最佳匹配值得进一步研究;
(5)通过对常用非板叠类回热器和异型板叠回热器的研究说明了填料和结构对于热声热机动力学特性存在较大影响,回热器结构及填料材质的优化是提高热声热机性能的有效手段。