氦基二元气体混合物在驻波热声发电系统中的性能优化与能量转换机制研究

本研究针对驻波热声发电机(SWTAEG)能量转换效率低的问题，通过系统评估He-Ar、He-N2、He-O2和He-CO2四种氦基二元混合气体在300 kPa工作压力下的性能，发现He-CO2(氦摩尔分数0.4)组合可实现最低起振温差(ΔTonset=229°C)和最大电功率输出(1.6 W)，揭示了Prandtl数(Pr)和比热比(γ)对热声转换的关键影响，为低品位热能回收技术提供了优化方案。

　　

在能源危机与碳中和的双重挑战下，如何高效利用低品位热能成为科研界关注的焦点。热声发电技术(TAEG)因其结构简单、无运动部件等优势被视为潜力解决方案，但现有系统的能量转换效率普遍低于2%，严重制约其实际应用。问题的核心在于工作气体的选择——虽然氦气因其高声速和导热性被广泛采用，但纯氦系统存在启动温度高、阻抗匹配困难等缺陷。

为突破这一技术瓶颈，研究人员开展了一项开创性研究，系统探究了氦基二元气体混合物在驻波热声发电机(SWTAEG)中的性能表现。通过精心设计的实验装置——包含1.55米长的四分之一波长谐振器、不锈钢丝网堆栈和扬声器式线性交流器，团队对比测试了He-Ar、He-N₂、He-O₂和He-CO₂四种混合物在氦摩尔分数0.0-1.0范围内的性能参数。

研究采用了多项关键技术：1）基于Mason-Saxena和Wilke方程计算混合气体热物性参数；2）采用快速傅里叶变换(FFT)分析压力振荡信号；3）通过Thiele-Small参数优化负载阻抗匹配；4）建立非维度起振温差模型预测性能阈值。这些方法的综合运用确保了实验数据的可靠性。

研究结果展现出清晰的规律性：

3.1 工作气体特性分析
热渗透深度(δ_κ)和粘性渗透深度(δ_v)的计算显示，He-O₂混合物具有最大的热渗透深度，而所有混合物的粘性渗透深度均随氦分数线性增加。特别值得注意的是，Prandtl数在氦分数0.4-0.6区间出现最小值，这种非线性变化源于导热系数、粘度和比热的复杂相互作用。

3.2 起振温度差
实验数据与理论模型高度吻合(R²>0.87)，验证了经典热声理论的适用性。He-CO₂在氦分数0.4时表现出最优性能，起振温差仅229°C，较He-Ar降低约30%。这种优势源于CO₂的高比热容带来的热缓冲效应。

3.3 频率与压力振幅
共振频率测试验证了系统遵循四分之一波长谐振原理，实测值与理论计算偏差<5%。压力振幅在氦分数0.2-0.4区间出现峰值，He-CO₂在0.4分数时达到15.6 kPa的最大振幅，证实了中等γ值和Pr数对能量转换的协同优化作用。

3.4 电功率输出
阻抗匹配实验确定12-25 Ω为最佳负载范围。He-CO₂(0.4)组合实现1.6 W的峰值功率，较其他混合物提高25-57%，同时保持最低的ΔT_onset，展现出卓越的能量转换效率。

这项研究的重要意义在于：首次系统揭示了二元气体混合物在SWTAEG中的性能优化规律，特别是发现He-CO₂组合能同时降低起振阈值和提高功率输出的独特优势。通过建立热物性参数与系统性能的定量关系，为热声系统的气体选择提供了科学依据。未来研究可进一步探索三元混合物、高压条件以及堆栈几何优化等方向，推动热声发电技术向实际应用迈进。论文的创新性成果已发表在工程领域知名期刊《Results in Engineering》上，为低品位热能利用技术发展提供了重要参考。