近年来,天然气作为一种清洁高效能源,在世界能源市场中的地位不断提升。高效回收天然气汽化过程所释放的大量冷能对我国的节能减排与可持续发展战略具有重大意义。热声发动机作为斯特林发动机的独特变种,与直接膨胀法、二次冷媒法、燃气轮机等技术方案相比具有理论效率高,结构简单,运行可靠等优势。近年来,多级行波热声发动机凭借更低的起振温差与更高的能流密度受到了广泛关注。但目前应用于冷能回收的热声发动机研究还很缺乏,低温工况下的热声转化机理尚不明确。为验证热声发动机应用于冷能回收的可行性,填补该领域实验空白,深入探究低温工况下热声转化的影响因素,本文采用数值模拟与实验研究相结合的方法针对冷能驱动三级行波热声发动机的工作特性开展了研究,主要研究内容如下:1.对冷能驱动行波热声发动机的基本理论进行了归纳总结。基于DeltaEC软件,对一台冷能驱动三级行波热声发动机建立数学物理模型,开展了数值计算研究并在此基础上进行了设计和优化,研究了低温工况下热声发动机核心部件对热声效应的影响。计算结果显示,该热声发动机在110-500 K温度驱动下,以4 MPa氦气为工质,能够输出3×5 kW的声功,总体声功-?效率约为44.2%。2.提出了一种冷能驱动三级行波热声发动机的简化结构,在冷能驱动条件下,多级环路热声发动机中可以不设置室温端换热器和热缓冲管。开展数值模拟对其可行性进行了研究。模拟结果表明,与传统结构相比,简化后的热声发动机输出性能得到了提升。?损失分析结果显示,除冗余部件的移除外,结构简化所带来的性能提升主要是通过降低谐振管内工质的速度振幅实现的。因此,这种简化结构能够显著提高热声发动机的紧凑度,提高系统的整体性能。对比了简化结构的冷能驱动热声发动机在不同负载模式下的输出性能,结果显示发动机在三种负载模式下均可高效运行,其中高温端负载模式与室温端负载模式所对应的性能曲线差距较小,高温端负载模式下性能略高,而低温端负载模式下的发动机输出性能则明显优于另外两种模式。3.搭建了冷能驱动三级行波热声发动机实验台并开展了初步实验,对该系统在不同平均压力、热端温度下的起振特性、频率特性与压力振幅特性进行了研究,并与数值模拟结果及传统热能驱动三级行波热声发动机实验数据进行了对比。结果显示,热声发动机系统的起振特性受到平均压力与驱动温度的共同影响,在研究范围内,系统的平均压力越高,热声发动机越容易起振,回热器两端平均温度越低,起振所需温差与温比越低。与传统的热能驱动热声发动机系统相比,冷能驱动热声发动机的起振温差相对较低。其工作频率稳定在50 Hz左右,稍低于改造前的热能驱动系统。压力振幅随平均压力,回热器冷、热端温差的升高而增大,在实验中测得的最高压力振幅为1.75 bar。当压力振幅较小时数值模拟结果与实验数据吻合较好,但随着温差进一步增大,受非线性现象的影响,数值计算结果的误差随之增大。