對熱聲熱機和熱聲脈管制冷機的發展歷史和現狀進行了較為全面的概述，重點闡述了熱聲熱機和熱聲制冷機的理論、實驗和數值仿真研究方法、研究成果，尤其對熱聲脈管制冷機的數值研究方法從一維數值到二維軸對稱及三維數值研究模型進行較為系統的介紹。同時對熱聲熱機的研究熱點、研究方法、研究方向進行了預測，并對熱聲熱機的三個發展方向：太陽能利用和余熱利用、熱聲制冷系統微型化、熱聲驅動脈管制冷作了簡要的介紹。

0、引言

　　隨著人類社會的不斷發展和進步，對能源的需求量越來越大，而傳統的化石能源短缺及其對環境帶來的污染，嚴重威脅著人類的生存和健康，這就需要不斷探索新技術走能源可持續發展的道路。在能源利用的眾多新領域中，熱聲技術非常有潛力，有著廣闊的應用前景。

　　傳統的熱機是基于一定的熱力循環，利用其機械運動實現對工作介質狀態的控制，完成熱能和機械能之間的轉化。熱聲技術基于熱聲效應使得熱能與聲能之間能夠實現相互轉換，即在滿足一定條件下可以將輸入的熱能轉化為聲能，產生熱致聲效應或聲致冷效應，構成熱聲發動機或熱聲制冷機。基于熱聲效應工作的發動機和制冷機有著傳統熱機無法與之媲美的優點：(1)結構簡單，無運動部件，系統穩定性高，使用壽命長；(2)工作介質主要為惰性氣體，符合現代國際提倡的綠色環保理念；(3)可利用太陽能、工業廢熱等低品質熱源驅動熱聲發動機，這些措施對提高能源綜合利用的效率有著非常積極的意義。

　　近些年來，在日常生活和國防事業中越來越多的運用到紅外探測器、天然氣液化、血液保存和磁共振成像系統超導磁體冷卻、礦物磁分離，使得制冷與低溫技術無處不在。隨著空間技術、信息技術、生命科學等現代科學技術和工業技術的發展，對低溫制冷機的性能要求越來越苛刻，需要更加環保、經濟、高效的制冷技術。研究者一直致力于新型制冷系統的開發和改善，G-M型制冷機和Stirling制冷機在現代工業和空間技術得到了廣泛的運用，分置式斯特林制冷機及脈管制冷機等制冷系統也成為了國內外學者研究的重點，但是上述制冷系統存在運動部件會產生磨損、不易密封，影響了制冷效率，降低了系統工作壽命。為了克服此類制冷系統的缺點，用熱聲發動機取代機械壓縮機驅動脈管制冷系統是一種理想的方案。

　　雖然熱聲技術領域的研究取得了顯著的發展：作為發動機，其熱聲轉換的效率已達到30%，可以媲美內燃機25%~40%的轉換效率，但輸出功率卻只有8W/cm2；作為制冷機，完全無運動部件的熱聲熱機驅動脈管制冷機已達到液氫溫度以下，但系統體積比較龐大，應用范圍比較小。

　　正是在這樣的背景下，對熱聲熱機的理論和實驗研究進展進行綜述，以期對發展效率體積比更高的熱聲熱機起到一定的推動作用。

1、熱聲熱機的研究進展

　　1.1、熱聲發動機的研究進展

　　從1777年ByronHiggins等的“會唱歌的火焰冶、1850年Sondhauss管、1877年Bosscha“逆冶Rijke振蕩等激發了探索熱聲效應的激情。1962年，Garrett教授改進型的Sondhauss管獲得了27W的聲功；1992年，Swift等獲得了熱聲轉換效率達9%熱聲發動機和494W聲功輸出的對稱型駐波熱聲熱機。1998年，出現了太陽能驅動的駐波型熱聲熱機。

　　L.Skerget等利用Navier鄄Stokes(N-S)方程，并通過數值邊界積分方程求解方法域與小波域分解和耦合，對熱聲內的溫度場和流場進行了數值計算，又對經典的傅立葉熱通量模型與熱傳導模型進行了研究對比；Bailliet等也分析了熱聲系統耦合行為對溫度梯度的影響。

　　近年來，研究者一直致力于提高熱聲轉換效率的研究。2012年，Hariharan等研究不同板疊結構回熱器對熱聲轉換效率的影響。2013年搭建了更高效率的雙驅動模型樣機。

　　國內中科院理化所、華中科技大學、浙江大學等高校在熱聲學研究方面也作出了較大的貢獻，典型的有肖家華教授的絕熱、等溫以及一般情況等三種熱聲效應模型；郭方中教授等熱聲網絡理論；羅二倉教授等交變流動理論和高壓比的駐波型熱聲發動機；陳國邦教授等雙驅動高壓比駐波型熱聲熱機；劉才教授等的回熱器結構頻率理論模型。

　　對于駐波熱聲發動機來說，流體與固體內部之間基于不可逆的熱力循環過程，熱聲轉換效率比較低。而對于行波熱聲發動機來說，其熱力循環過程類似于Stirling循環，本身有著準靜態平衡過程的優勢，其熱聲轉換的效率相對會比較高。

　　1979年，美國GeorgeMason大學Ceperley等首先提出了行波熱聲發動機的概念；1998年，日本Yazaki等搭建的世界上第一臺行波熱聲發動機，觀測到了行波性質的熱聲自激振蕩；1999年，Backhaus等設計的新型行波熱聲發動機熱聲轉換效率達到了30%。

　　國內在行波熱聲發動機的研究領域同樣達到了國際先進水平。2001年，中科院李青教授等建立高頻行波熱聲發動機實現了高頻(528Hz)和低頻(76Hz)兩個模態及其模態的跳遷；2003年，浙江大學邱利民等建立的氦氣工質的大型行波熱聲發動機，獲得了諧振頻率為45Hz、壓比為1.19的聲波；2012年，中科院童歡等提出雙作用行波熱聲熱泵的流程，如圖1所示，研究結果顯示相對卡諾效率在59.7%~60.1%。

圖1 熱聲驅動雙作用行波熱泵流程圖

1.主水冷器；2.回熱器；3.高溫換熱器；4.熱緩沖管；5.次水冷器；6.室濁換熱器；7.熱緩沖管；8.高溫換熱器；9.回熱管；10.室溫換熱器

　　1.2、熱聲制冷機的研究進展

　　1986年，Hofler實現了1/4波長-80毅C低溫的駐波型熱聲制冷機；1990年，Swift等采用熱聲發動機替代機械式壓縮系統驅動脈管制冷機，其冷端溫度達到了90K；1992年，S.Garrett等建立的1/4波長的空間熱聲制冷機，采用97%的氦氣和3%的氬氣的混合工質，獲得了5W的制冷量；隨后其1/2波長以94%的氦氣和6%的氬氣為混合工質的制冷系統獲得了205W的制冷量；1999年，Swift等實現了以2.4MPa的氬氣為工質、冷熱端溫差達到92°的聲功回收型脈管型制冷機；2004年，美國賓州州立大學的電聲驅動同軸行波熱聲制冷機，在-24.6°的低溫下獲得了120W的制冷量，整機卡諾循環效率達到了81%。

　　2003年，中科院羅二倉等建立的行波熱聲制冷機，工作頻率57Hz，氦氣工質壓力3.1MPa，冷端溫度達到了-20°，獲得80W的制冷量，隨后其行波型熱聲發動機驅動的行波制冷機，系統振蕩頻率67.5Hz，氦氣壓力為3MPa，冷端溫度在-22°時獲得了300W的制冷量輸出；2012年，中科院楊卓等提出了一種新型熱聲制冷—雙作用行波熱聲制冷機，如圖2所示，從壓比、效率等多角度考慮，該系統更適合行波熱聲制冷機的耦合工作，具有潛在的高效率。

圖2 制冷機與發動機的連接方式簡圖

1、4、7.液體活塞；2、6、9.制冷機；3、5、8.發動機

5、熱聲熱機的發展前景

　　(1)太陽能利用和余熱利用

　　隨著理論和實驗研究的不斷進展，熱聲發動機的起振溫度不斷降低，這對太陽能或工業余熱等低品位熱源的利用具有決定性的作用，可以預見熱聲熱機在低品位能源利用方面有著良好的發展前景。

　　(2)熱聲制冷系統微型化

　　隨著電子器件的集成度和運行頻率的提高，大型計算中心的構建等都對其散熱能耗問題越來越敏感，傳統冷卻方式已經不能滿足其單位散熱密度的要求，基于高頻微型化的熱聲制冷機成為一個研究熱點和研究難點。

　　(3)熱聲驅動脈管制冷

　　航空航天、氫能利用、天然氣液化、新型空分裝置、大型氦液化等都對低能耗的低溫制冷技術需求迫切，而熱聲驅動脈管制冷機具有潛在的優勢，這就為其大規模的發展提供了良好的發展機遇。