Для цитирования:
Воротников Г. В., Зиновьев Е. А., Некрасова С. О. Уравнения колебаний газа в канале кольцевого сечения c продольным градиентом температур // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2022. Т. 22, вып. 2. С. 111-122. DOI: 10.18500/1817-3020-2022-22-2-111-122, EDN: SYWGFS
Уравнения колебаний газа в канале кольцевого сечения c продольным градиентом температур
При выборе конструктивно-компоновочной схемы термоакустического преобразователя к особым требованиям относят размещение теплообменников в зонах подвода и отвода тепла. Наиболее перспективными в этом плане являются коаксиальные схемы с соосным расположением (труба в трубе) каналов акустического тракта. Такие конструктивные особенности ставят свои оптимизационные задачи. Для их решения необходимо выявить особенности изменения динамических параметров осциллирующего газа в условиях акустической волны. В представленной работе получено линейное дифференциальное уравнение второго порядка для осцилляций давления в канале кольцевого сечения при наличии постоянного продольного температурного градиента на основании линеаризованных уравнений механики сжимаемой среды, которое не зависит от других динамических параметров. Решение уравнения позволяет представить выражения динамических параметров колебаний газа, таких как скорость, плотность, температура, как функции динамического давления. Показано, что полученное уравнение является более общим случаем уравнения Ротта, полученного для канала круглого сечения при тех же условиях. Уравнения динамических параметров, полученные в данной работе, применяются к измерениям распределения акустической мощности в термоакустическом преобразователе и позволяют моделировать линейные акустические процессы в коаксиальных каналах термоакустических устройств.
- Perozziello C., Grosu L., Vaglieco B. M. Free-Piston Stirling Engine Technologies and Models : A Review // Energies. 2021. Vol. 14. Article number 7009. https://doi.org/10.3390/en14217009
- De Boer P. C. T. Basic limitations on the performance of Stirling engines // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2007. Vol. 129. P. 104–113. https://doi.org/10.1115/1.2204629
- Ceperley P. H. A pistonless Stirling engine – the traveling wave heat engine // J. Acoust. Soc. Am. 1979. Vol. 66. P. 1508–1513. https://doi.org/10.1121/1.383505
- Macdonald M., Badescu V. The International Handbook of Space Technology. Berlin ; Heidelberg : Springer-Verlag, 2014. 731 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-41101-4
- Backhaus S., Tward E., Petach M. Thermoacoustic power systems for space applications // AIP Conf. Proc. 2002. Vol. 608. P. 939–945. https://doi.org/608.10.1063/1.1449822
- Swift G. W. Thermoacoustic engines // J. of the Acoust. Soc. of Am. 1988. Vol. 84, No 4. P. 1145–1180. https://doi.org/10.1121/1.396617
- Tijani M. E. H., Spoelstra S. Study of a coaxial thermoacoustic-Stirling cooler // Cryogenics. 2008. Vol. 48. P. 77–82. https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2008.01.001
- Poignand G., Podkovskiy A., Penelet G., Lotton P., Bruneau M. Analysis of a coaxial, compact thermoacoustic heat-pump // Acta Acustica united with Acustica. 2013. Vol. 99, No 6. P. 898–904. https://doi.org/10.3813/AAA.918669
- Backhaus S., Swift G. W. A thermoacoustic Stirling heat engine : Detailed study // J. of the Acoust. Soc. of Am. 2000. Vol. 107, No 6. P. 3148–3166. https://doi.org/10.1121/1.429343
- Yazaki T., Iwata A., Maekawa T., Tominaga A. Travelling wave thermoacoustic engine in a looped tube // Phys. Rev. Lett. 1998. Vol. 81, No 15. P. 3128–3131.
- Swift G. W. Thermoacoustic engines and refrigerators // Phys. Today. 1995. Vol. 48, No 7. P. 22–28. https://doi.org/10.1063/1.4704199
- Telesz M. P. Design and testing of a thermoacoustic power converter : Masters of science thesis. Georgia Institute of Technology, 2006. 139 p.
- Blok K., Owczarek P., Francois M. Bi-directional turbines for converting acoustic wave power into electricity // 9th PAMIR Int. Conf. on Fund. and Appl. MHD. 2014. P. 433–438.
- Elhawary M. A., Abdelmaged H., Ibrahima A., Sabry S., Abdel-Rahman E. Experimental study of a small scale bi-directional axial impulse turbine for acoustic-to-mechanical power conversion // Renewable En. 2020. Vol. 159. P. 414–426. https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.05.162
- Mohammad H. R., Abolghasemi A., Stone R., Dadd M., Bailey P. Numerical modelling of a coaxial Stirling pulse tube cryocooler with an active displacer for space applications // Cryogenics. 2020. Vol. 106. Article number 103048. https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2020.103048
- Zhao Y., Yu G., Tan J., Mao X., Li J., Zhab R., Li N., Dang H. CFD modeling and experimental verification of oscillating flow and heat transfer processes in the micro coaxial Stirling-type pulse tube cryocooler operating at 90–170 Hz // Cryogenics. 2018. Vol. 90. P. 30–40. https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2018.01.003
- Swift G. W., Garret S. L. Thermoacoustics : A unifying perspective for some engines and refrigerators // J. of the Acoust. Soc. of Am. 2003. Vol. 113. P. 2379–2381. https://doi.org/10.1121/1.1561492
- Tijdeman H. On the propagation of sound waves in cylindrical tubes // J. of Sound and Vib. 1975. Vol. 39, iss. 1. P. 1–33. https://doi.org/10.1016/S0022-460X(75)80206-9
- Stinson M. R. The propagation of plane sound waves in narrow and wide circular tubes, and generalization to uniform tubes of arbitrary cross‐sectional shape // J. of the Acoust. Soc. of Am. 1991. Vol. 89, No 2. P. 550–558. https://doi.org/10.1121/1.400379
- Stinson M. R., Champoux Y. Propagation of sound and the assignment of shape factors in model porous materials having simple pore geometries // J. of the Acoust. Soc. of Am. 1992. Vol. 91, iss. 2. P. 685–695. https://doi.org/10.1121/1.402530
- Yazaki T., Tashiro Y., Biwa T. Measurements of sound propagation in narrow tubes // Proc. of the Royal Society of Math. Phys. and Eng. Sciences. 2007. Vol. 463, iss. 2087. P. 2855–2862. https://doi.org/10.1098/rspa.2007.1897
- Rott N. Damped and thermally driven acoustic oscillations in wide and narrow tubes // J. of Appl. Math. and Phys. 1969. Vol. 20. P. 230–243. https://doi.org/10.1007/BF01595562
- Rott N., Zouzoulas G. Thermally driven acoustic oscillations. Part IV : Tubes with variable cross-section // J. of Appl. Math. and Phys. 1976. Vol. 27. P. 197–224.
- Swift G. W. Analysis and performance of a large thermoacoustic engine // J. of the Acoust. Soc. of Am. 1992. Vol. 92, iss. 3. P. 1551–1563. https://doi.org/10.1121/1.403896
- Верещагина Т. Н., Михеев А. С., Кудряева Ю. В. Термоакустический эффект и его применение // Вопросы атомной науки и техники. Cерия : Ядерно-реакторные константы. 2021. Вып. 2. С. 127–138. https://doi.org/10.55176/2414-1038-2021-2-127-138
- Morii J., Biwa T., Yazaki T. Measurements of acoustic particle velocity in a coaxial duct and its application to a traveling-wave thermoacoustic heat engine // Rev. of Scientific Inst. 2014. Vol. 85, iss. 9. Article number 094902. https://doi.org/10.1063/1.4893639
- 1181 просмотр