在能源需求不断攀升且环境问题愈发突出的形势下，探寻高效、清洁、可再生的能源转换技术已成为全球科学研究的热点。随着“双碳”目标的提出与能源安全新战略的深入实施，传统化石能源系统的高污染、高排放问题日益凸显，亟需发展新型高效能量转换与热管理技术。热声系统凭借其结构简单、无污染、无机械运动部件、可靠性高、易于小型化等独特优势，逐渐受到广泛关注。尤其在中低温余热回收、空间电源、微型制冷以及特殊环境能源系统等领域，热声技术展现出良好的应用前景。

热声回热器是热声系统的核心部件，主要作用是实现工质的热能与声能之间的高效转换，通过合理设计回热器的结构和材料，有效提高回热器两端的温度梯度，增强热声效应，从而提升热声系统的整体性能。近年来，随着计算技术的发展和实验手段的进步，热声回热器的研究取得了显著进展。从早期的理论分析与简单实验到对性能的深入探索、从板式到复杂新型结构开发、从单一到复合材料应用，回热器的设计理念与制造工艺不断更新、性能稳步提升。早期的热声回热器研究多集中于传统的板叠和丝网结构，侧重基本的热声理论与实验验证。随着数值仿真技术与新材料工艺的发展，研究者逐渐将目光转向结构更为复杂、性能更为优越的蜂窝陶瓷及梯度分层等新型回热器结构。与此同时，对回热器内部声场与流场耦合机制、频率特性与系统匹配关系等关键问题的研究也日益深入。此外，热声回热器的应用已从传统制冷、发电领域拓展至航空航天、深海探测、微纳电子等新兴领域，迎来新机遇的同时也面临着更高的性能要求。

尽管已有研究已取得了显著成果，但当前仍存在若干尚未解决的关键问题。例如，高频工况下回热器内部流动与换热的微观机制尚不明确；复杂结构回热器的制造工艺与成本控制仍是制约其工程化的重要因素；多物理场耦合作用下的性能预测与系统集成理论仍需进一步完善。此外，新材料和新型制造技术在回热器中的应用潜力虽已初步显现，但其具体实现路径与性能增益仍需系统研究。

为系统梳理热声回热器的研究现状、分析现存问题并展望未来发展方向，本文从结构类型、性能特性、优化方法以及实际应用4个层面，对近年来国内外关于热声回热器的研究现状进行系统梳理，分析其可能存在的问题，并对未来的研究方向进行展望，以期为热声回热器的研究提供有益的参考和借鉴。

1 结构研究

研究者们对回热器的结构进行了广泛而深入的探索，开发出多种具有不同特点和应用场景的结构类型。这些结构各有优势与局限，在不同工况下展现出不同的性能表现，深入理解这些结构的性能特征与适用边界，是优化选择的基础。对不同类型回热器的性能对比与评述如表1所示。

1.1 板叠式回热器

板叠式回热器的几何构型与尺寸参数对整体性能具有决定性影响。在基础理论方面，刘益才等[2]将回热器气体通道看成多层矩形导管的相互叠加，并以此为基础对其进行系列研究；阚绪献等[3]运用构形理论推导出最优平板间距及平板数解析式，并分析了运行频率、温度梯度和平板厚度等变量对性能的影响规律，二者共同构建了板叠设计的底层理论框架。

辛天龙[4]针对亚毫米尺度的几何参数（如板厚与板间距）进行优化，通过改变结构刚度，几何尺度得以影响回热器的动力学频率响应，说明了微尺度精确控制对回热器性能影响的重要性。Hariharan等[5]则聚焦于宏观几何形貌差异（如回热器长度与板叠形状变化）对热声发动机性能的关联性，从宏观角度进一步探讨了几何构型对整体性能的影响。

在优化方法论方面，Zink等[6]采用有限元建模和单纯形法，量化了回热器长度与直径在平衡热损失与声功输出方面的最优解；刘益才等[7]和张明研[8]基于高次波衰减原理，明确了不同频率声源下板叠回热器的最佳纵向长度的选择依据；颜鹏[9]提出的能够有效提升热声转换效率的异形板叠设计，实现了构型上的创新突破，但异形结构制造难度较高，未来研究可探索如3D打印等高精度成形技术，以实现复杂几何构型的高效制备。

可见，板叠的结构形式、位置尺寸及几何形状差异会显著影响回热器的性能，其设计和优化是一个多因素、多目标的复杂问题。通过深入理解几何参数、材料特性、声波传播特性等因素对回热器性能的影响，可以为热声系统的优化设计提供重要支持。

1.2 丝网式回热器

金属丝网式回热器因其低流动阻力和高比表面积（源于丝网填料的孔隙结构）而展现出显著优势[10]。深入研究表明，孔隙率是影响性能的关键参数：其增大虽可进一步降低流阻，但会削弱换热效率，进而影响工质的泵热能力[11-12]。因此，优化孔隙率以在流阻与换热效率之间取得最佳平衡是丝网式回热器设计的核心挑战之一。

关于丝网式回热器填料的研究表明，水力半径的优化对抑制黏性耗散具有关键作用：采用较小目数（较大水力半径）的丝网可显著提升水力半径与热渗透深度之比，降低黏性耗散并提高压比[13]。铜丝网与不锈钢丝网的性能对比实验证实，材料热导率与表面特性直接影响局部热传递效率[14]，但材料组合在热循环下的长期稳定性仍需深入验证。此外，文靖等[15]的多层丝网设计虽通过目数梯度配置（高温层100目→低温层60目）使黏性耗散降低了28%，凸显了结构优化的潜力，但其层间匹配规则仍受限于经验试错法，暴露了结构参数优化的局部性缺陷。

为突破上述局限，王强等[16]提出了一种新型径轴向混合填充丝网式回热器（如图1所示），通过拓扑结构重构有效解决了径向填料流场均匀性与轴向填料低流阻之间的矛盾，并实现了二者的协同增益。该结构中，径向单元负责保障工质分布均匀性，轴向流道则将关键界面压降降低至纯径向结构的1/3，使回热效率提升了23%，轴向导热损失降低了37%。此项工作标志着丝网式回热器的研究从单参数调优向多物理场耦合设计的跃迁。

<G:\武汉工程大学\2026\第1期\杨 柳-1.tif>[丝网][平行丝][冷端][室温端][交变流动]

图1 新型径轴向混合填充丝网式回热器结构示意图

Fig. 1 Structure of a novel radial-axial mixed wire

mesh regenerator

目前对于金属丝网式回热器的基础层研究（孔隙率/目数优化）已建立了完善的设计准则，而前沿探索（混合填充/多层梯度）仍有待攻克的瓶颈。未来突破可以考虑融合智能材料设计（如纳米涂层丝网增强传热）、拓扑优化算法（基于流场仿真的孔隙率分布设计）及多目标控制等策略。

1.3 蜂窝陶瓷回热器

蜂窝陶瓷回热器的首要功能是在两股气流之间高效传递热量，研究主要集中在传热特性的实验和数值分析上。单元尺寸及孔道几何构型（如圆形、方形、六边形等典型孔形）作为关键设计参数，不仅显著影响传热效率和流阻特性，更决定了热应力的空间分布规律[17]。Kang等[18]通过引入归一化切换时间，将蜂窝长度、直径和切换时间的影响整合到同一曲线中，为估算蜂窝陶瓷蓄热器的性能提供了有效工具。Ai等[19]采用扰动解析-数值方法优化了传热特性，确定了最大温度效率的最优切换时间。李银宾[20]通过实验研究揭示了热声耦合机制：加热功率提升可显著降低起振温度并增大压力振幅（与频率呈弱相关性）。在最大化传热的同时，最小化压降同样至关重要，等效直径、气体温度和速度、回热器长度和切换时间共同构成多参数耦合作用体系，需在传热强化与流阻抑制间建立动态平衡[21-22]。

为实现回热器在高温交变工况下的长寿命运行，除需优化其传热与流动特性外，有效应对因交变热应力引发的热机械可靠性问题，亦是核心挑战之一。频繁热循环引发的非均匀热应力易导致陶瓷基体脆性断裂失效，Wang等[23]通过参数化热应力建模，量化了结构参数对热震抗性的影响规律，为抗损伤设计奠定理论基础。未来突破方向需聚焦材料-结构双维度创新：在材料选择层面开发高韧性陶瓷复合材料以耐受极端热载荷；在结构设计层面优化孔形梯度分布与壁厚参数，通过热-力耦合设计提升系统在高温工况下的循环耐久性。

1.4 分层结构回热器

适当的分层填充可以提高性能系数（coefficient of performance，COP）[24]，不同分层形式的回热器在不同驱动声压幅值下，声场分布、热流分布、相位差分布以及制冷量和COP特性规律也不尽相同[25]。当采用回热器的孔隙率随温度降低而增大的R模型时，制冷温度最低，流动损失最小，制冷效率最高，且其热流量小、相位差变化小。这种分层方式进一步证明了分层回热器在优化热声制冷机性能方面的优势。

分层结构回热器的核心价值在于通过空间异质性设计匹配温度场梯度，优化局部热力过程。全永超[26]的研究初步验证了泡沫陶瓷与金属丝网复合分层的可行性。然而，当前研究存在明显局限：分层策略（如材料选择、层厚、梯度函数）多基于试错或特定工况优化，缺乏普适性设计准则；层间界面处的热-流-声耦合效应及其对整体性能的影响机制尚不清晰。未来需结合多尺度模拟与精确实验测量，建立分层结构与系统性能的定量映射关系，并探索智能响应材料在分层设计中的应用潜力。

2 特性研究

热声回热器的性能不仅取决于其结构设计，还与声场、流场特性和频率特性密切相关。深入解析这些特性及其相互作用，是理解能量转换微观机制和指导优化设计的关键。

2.1 声场、流场特性研究

热声回热器的声场、流场特性研究呈现多维度递进特征。在数值方法基础层面，毛伊依等[27]建立的二维可压缩湍流高精度模型，系统揭示了典型工况下回热器内部压力-流速的相位分布规律，为性能预测提供了基础工具。

在环形管行波热声发动机中，回热器在环形管直线段的特定位置被证实可最大化声能转换效率[28]；Sharify等[29]通过多级行波热声制冷机实验发现，湿式回热器因强化了工质相变过程中的热质传递，其声场特性显著优于传统干式结构。这两类研究分别从宏观布局（位置优化）和微观界面（工质相态）维度诠释了声场调控路径。

在声阻抗特性领域，较小相对水力半径与特定行波阻抗相角及无量纲阻抗幅值的匹配可提升声功传输效率[30]。该理论在交变流动动力学层面获得了佐证，孙生生等[31]的数值模拟揭示出回热器内压力/速度场呈现准线性分布特征，且阻力系数具有显著周期性振荡特征。此外，涡旋动力学研究揭示了更深层的作用机制：赵殿鹏[32]在Rijke管中发现端口涡旋周期性生成-破碎主导泵热过程；颜鹏[9]则通过异形板叠与平行板叠的对比实验，证实异形结构通过增强局部涡旋强度（较平行结构提升37%），显著促进流固能量传递。此现象与张宁模型形成机理呼应——异形结构本质上通过改变局部水力半径优化了声阻抗匹配。

综合表明，当前声流场研究大致可分为3个层面：基础层（毛伊依模型）解决计算精度问题，系统层（位置/工质优化）实现声场重构，而前沿层（异形结构/涡旋控制）则深入到能量转换的本征机制。然而，现有技术仍存在一些局限性。例如，数值模拟在复杂工况下的精度仍有待提高，优化设计的复杂性较高，实际应用中需要平衡性能优化与成本、制造难度等因素。此外，多工况适应性也是热声回热器在实际应用中的重要特性。通过综合考虑声场、流场、声阻抗特性和漩涡结构的影响，可以为热声回热器的设计提供更全面的理论支持，推动热声技术的进一步发展。

2.2 频率特性研究

热声回热器的频率特性研究呈现出基础理论探索与高频应用拓展的双轨演进路径。在基础理论层面，赵爽等[33]通过对热声热机中连续结构回热器的频率特性进行综合参数法和分布参数法的深入分析，证明了频率特性是回热器本身的固有属性。黄谦等[34]引入结构声理论，对回热器中薄板的振动模态进行建模分析，发现薄板振动受弯曲波影响，且固有频率与厚度、长度相关。相较而言，康慧芳等[35]的创新性在于构建跨尺度关联模型——通过热声学线性公式分解提炼的操作因子，首次量化了工作频率与几何参数（长度、水力半径）的映射规律，这使得在不同工作频率下优化热声转换效率成为可能。

在高频领域研究中，张富珍等[36]构建了高频下热声学元件的热声学特征研究框架，通过实验获取了高频热声谐振系统内部的声场分布特征，并精确测量了热声元件的关键声学参数，包括声吸收系数等。李姗姗等[37]针对超高频微型脉冲管制冷机回热器进行了优化研究，总结了在不降低效率的前提下减小回热器尺寸的设计方法，从而为超高频回热器的设计提供了理论指导，显著减少了设计计算量。

纵观研究演进，频率特性认知经历了从静态固有属性到动态振动机制，再到主动设计因子的深化过程；高频研究则完成从现象观测向微型化设计的应用跨越。当前技术在低频段（<0.5 kHz）已形成成熟的设计理论体系，而高频段（>1 kHz）仍面临微型化导致的声阻抗失配问题。通过不同角度对回热器特性进行探索，深入理解回热器的固有频率特性、振动行为及声学参数，可更精准地设计和优化回热器，以满足不同应用场景的需求。

3 优化方法研究

为了提高热声回热器的性能，优化方法的研究尤为重要。目前，学者们已经提出并研究了通过数值模拟和理论分析相结合的多种结构优化策略。除结构优化外，材料优化同样是提升热声回热器性能的关键途径之一。Al-Nimr等[38]用相变材料取代传统的不锈钢丝网，显著提高了回热器的效率。Zahi等[39]进一步发现泡沫材料能够显著增强回热器壁面的传热效果，从而改善传热速率。表2列举了基于分析方法改进的多种优化方法。

在数学基础层，辛矩阵法与散射矩阵为声热耦合分析提供了理论基石，二者分别服务于网络级能量损耗诊断与微结构声学优化。在数字工具层，可视化仿真软件的开发与多模型对比研究标志着数字工具从单一平台应用向多模型协同验证升级。而系统集成优化领域呈现学科融合特征，有限时间热力学的生态学优化和多级配置优化，分别从时间维度与空间维度拓展系统优化的边界。

未来热声回热器的优化设计需要在理论研究和工程应用之间找到更好的平衡。一方面需进一步发展和完善理论分析方法，提高优化结果的精度和可靠性；另一方面，需要开发更高效、更实用的数值模拟工具，降低优化成本，提高工程应用的效率。同时，结合多种优化方法的优势，开发综合性的优化策略，将是未来热声回热器优化设计的重要发展方向。

4 实践应用研究

各类热声回热器在热声系统中的实际应用也十分广泛，这些研究不仅丰富了热声回热器的应用实例，也为进一步优化回热器性能提供了宝贵的参考和借鉴，推动了热声热机技术在制冷等领域的不断发展和应用。

在系统构型领域，杨卓等[46]参考气-液双作用行波热声发动机（图2）开发的双作用行波热声制冷机，通过气液耦合设计实现声场相位匹配，在环境温度300 K、制冷温度250 K时COP达2.74，相对卡诺效率达60%，其核心突破在于发动机与制冷机的声阻抗协同优化，使制冷量提升至1 464.9 W，较传统斯特林制冷机效率提高35%，体现出其侧重于单元内热声效率最大化的设计理念，适用于中温区大冷量应用场景。Sharify等[29]的多级行波热声系统采用“三发动机驱动单制冷机”拓扑（图3），通过蚀刻不锈钢丝网式回热器在最佳声场节点（声压波腹处）的精准布局，将起振温度降低至临界点以下，实现了降低热声振荡的起始温度并达到-100 ℃的制冷温度。该系统凭借多级声功传输的空间协同显著放大低温区声能量密度，展现出在高稳定性深冷温区应用中的优势。

<G:\武汉工程大学\2026\第1期\杨 柳-2.tif>[注：1-连接管;2-直管;3-加热器;4-三通;5-回热器;6-次室温换热器;7-热缓冲管;8-主室温换热器;9-针阀;10-气库;11-U 型谐振管。][11][9][10][7][6][8][1][2][2][3][4][5]

图2 气-液双作用行波热声发动机示意图

Fig. 2 Gas-liquid double-acting traveling-wave

thermoacoustic engine

在高频微型化方向，胡鹏[47]的研究直面微型化导致的黏性耗散激增与声场失配问题，创新性引入锥形谐振管结构，通过声阻抗渐变设计抑制边界层分离，并结合高声压振幅PZT驱动器（输出声压>140 dB），使冷热端温差提升至31 ℃、冷端温降达15.2 ℃。梁惊涛等[48]通过集成复合填料回热器（活性炭/不锈钢丝网梯度填充）与紧凑型惯性管相位调节器，同时提升了回热效能与调节精度，从而显著改善了超导器件的冷却温控性能，将高频脉冲管制冷机进一步推向工程实用化。高频微型系统的共性挑战在于尺度效应引发的声功损耗，而胡鹏与梁惊涛的研究分别从声学结构优化与热力部件创新切入，形成互补性解决方案。

为应对在液氦温度下，回热器热交换效率低、真实气体效应显著、有限比热容、压力损失大以及相移器性能不足等挑战，Wang等[49]提出了优化工作频率、采用如活性炭和碳纳米材料等的高比热容材料、改进移相器设计及应用有限时间热力学方法等优化手段，为提升液氦温度下高频脉管制冷机的效率和可靠性提供了重要指导。

未来微型制冷机回热器的研究方向应聚焦于开发新型回热材料、优化回热器结构和级间耦合方式，以进一步提高制冷机的效率和可靠性，推动其在空间探测等领域的广泛应用。微型热声制冷机作为高频微型制冷机的一种，其回热器的研究也应沿此思路发展。

5 总结与展望

本文总结了近年来热声回热器的研究进展。首先，系统评析了板叠式、丝网式、蜂窝陶瓷、分层结构回热器的设计优化、性能特点与应用现状，揭示了各自的核心优势、技术瓶颈与发展方向。其次，探讨了有关回热器的声场、流场特性及频率特性的内在机制与研究进展，分析评述了基于传输矩阵、热声软件模拟和特征时间优化等方法的优化策略。最后，结合典型案例探讨了各类热声回热器在热声系统中的实际应用。

尽管热声回热器的研究已取得了显著成果，但仍面临诸多挑战。首先，热声回热器内部复杂的流动和传热现象尚未完全被理解，尤其在高频和高功率密度条件下。未来的研究需进一步加强多学科交叉合作，深入探索其内部的物理机制，开发更为高效的优化设计方法。其次，新型材料和制造技术的应用将为热声回热器的性能提升带来新的机遇。例如，3D打印技术可以实现复杂结构的高精度制造[50]，在回热器复杂结构和定制化设计制造方面或许能有出色表现；而纳米材料的应用则可能进一步提高回热器的热交换效率；声学超构材料独特的热管理能力和多功能性使其能够精确调控热传导并优化热传递效率[51-53]，其在热声回热器中的应用也具有重要的研究价值和潜在的工程意义。未来的相关研究可以聚焦于提高材料的热稳定性、降低制造成本以及增强其在复杂环境中的性能表现等方面。最后，热声回热器的实验研究和数值模拟之间的结合仍需加强。通过建立更精确的数值模型并结合实验验证，可以更全面地评估回热器的性能，为优化设计提供更可靠的依据。

综上所述，热声回热器的研究在结构设计、特性分析和优化方法等方面取得了重要进展，但仍需进一步深入探索。未来的研究应聚焦于多学科交叉合作、应用场景的定制化设计、新型材料和制造技术的应用以及实验与数值模拟的紧密结合，以推动热声技术未来的发展和应用。