用耗散结构理论研究热声发动机

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热声发动机是一种新型的动力装置,它利用热声效应将热能转化为声能。热声发动机具有结构简单,损耗及污染小等独特优势,这使其具有潜在的应用价值,也因此吸引了广泛的研究兴趣。热声发动机的研究处于热学和声学交叉的领域,理论分析比较复杂。现有的理论工作也多是从传统声学和热学的角度来研究热声发动机,这往往需要处理复杂的流体动力学偏微分方程,然而这些方程往往难以得到解析解。热声现象还含有非线性因素,因此深入研究热声发动机,数学上会存在困难。上世纪60年代布鲁塞尔学派的普利高津提出了耗散结构的概念。开放系统在外部控制力的作用下会偏离平衡态,如果偏离的程度足够大以致达到某个临界非平衡态,此时系统内部的扰动会使这个临界非平衡态失去稳定性,进而发展成为一种性质不同的有序结构,普利高津称这种有序结构为耗散结构。耗散结构理论强调了体系的超熵的概念,并且通过超熵给出了体系的一般稳定性判据,这些判据已经在诸如化学及生物科学等领域得到了应用。热声发动机通过温差驱使流体介质偏离平衡并最终形成有序振荡,这实质上也是非平衡领域耗散结构形成的过程。A.Rivera-Alvarez和F.Chejne在2001年就认识到了这一点,但他们没有从非平衡的角度来考察这一现象。本文从耗散结构的角度看待热声问题。我们建立了一个简化的驻波型热声发动机模型,推导了此热声发动机系统的稳定性判据,通过对判据符号的分析,最终得出了热机的起振温度,这些理论预测的起振温度得到了实验的证实。这样,在一定程度上证实了将耗散结构理论应用到热声研究的可行性。本文的创新点在于:1.尝试了用耗散结构理论处理热声问题。实践证明,此方法避开了复杂的数学运算,也不需要数值模拟,简单易行,有可能成为研究热声问题的有力工具。2.得出了热声发动机起振温度与stack的位置及长度的关系,这对设计低起振温度的热声发动机有一定参考意义。
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