两种锥形脉管制冷机的数值模拟及其实验验证

本文对所提出的新型结构的脉管制冷机进行了数值模拟分析和实验研究。研究表明：锥形脉管制冷机存在一最佳锥度;在最佳锥度下,采用锥形脉管制冷机对改善制冷机的性能,进一步降低制冷温度、提高相同制冷温度下的制冷量是有利的。     

温度回路-小孔脉管制冷中的新现象

一台可工作在双向进气模式和小孔模式下的单级脉管制冷机,当双向进气方式采用并联双阀双向进气时,最低制冷温度为19.3K,50K以下的制冷量变化约为2W/K;当双向进气阀门关闭时,制冷机就工作在小孔模式下,最近的研究工作发现,当制冷机工作在小孔模式下时出现了一个新的现象-脉管冷端温度存在温度回路,该特点与脉管冷端的热负荷及小孔开度的调节方法有关,该现象的发现对于理解双向进气模式下温度不稳定问题提供了一个新的思路。     

冷头结构对100Hz脉管制冷机性能影响研究

提高脉管制冷机的制冷性能是其研究的一个重要目标,除了回热器和调相机构,换热器也是其中重要的部件,特别是冷端换热器,对其制冷性能有着很大的影响。基于100 Hz直线型脉管制冷机,本文对冷端换热器的长度和气体间隙进行了模拟和实验研究。在本研究中发现,当冷端换热器长度在其气体波动幅值附近时,系统性能最佳;在保持换热面积相同时,适当增大气体间隙,有利于提高制冷性能。     

脉管制冷机中复杂DC流的影响机理

为了进一步研究系统非对称性对DC流现象和脉管制冷机中直流分量对制冷性能的影响,采用数值模拟方法,引入了描述系统阻力元件的非对称性的几何参数—不对称率,详细研究了系统不对称性对脉管制冷机DC流、制冷性能的影响规律,并且在分析和比较不同流向和幅值大小的条件下,详细研究了DC流的流向和幅值对脉管制冷机的关键部件脉管和回热器的壁面温度分布特性的影响规律。数值验证了将壁面温度分布作为描述脉管制冷机中DC流的流动方向和大小的判定准则的正确性,且回热器和脉管的壁面温度分布的非线性越强烈,预示着系统内DC流的流向和幅值越大,对制冷性能的影响越剧烈,并间接指出系统热力不对称性是造成DC流的主要原因,为进一步发现和抑制直流现象提供了可靠的理论依据。     

渐缩型锥形脉管制冷机的二维数值研究

本文开发了二维可压缩交变流动的SIMPLEC计算程序,对渐缩型锥形脉管制冷机进行了二维数值研究,研究了锥度对脉管制冷机性能的影响。数值计算结果表明,对渐缩型锥形脉管,存在一最佳锥度,此时的制冷效果最好,当锥度大于最佳锥度时,制冷效果反而变差。另外本文还从脉管内流场的分布及二次流的角度揭示了锥形脉管能提高制冷机性能的原因及内在机理。一定锥度下的锥形脉管不但可以改变脉管内二次流的大小,还改变了脉管内二次流的分布情况,使脉管冷热端的二次流分布变得不均匀。这是一定锥度下的锥形脉管可以改善脉管制冷机制冷效果的主要原因。     

脉管制冷机直流机理研究和抑制方法探讨

双向进气脉管制冷机中存在的直流流动不仅增加了冷端换热器的负载 ,降低了脉管制冷机的性能 ,而且还是引起脉管制冷机制冷温度不稳定的一个重要原因。文中从流体网络理论出发 ,分析了直流产生的机理 ,对目前各种抑制方法进行了探讨 ,指出了进一步研究的方向。     

低于13K的单级脉管制冷机性能研究

回热器是脉管制冷机的关键部件之一,其效率对脉管制冷机性能有很大影响。铅丸是常见的蓄冷材料,通常用于回热器的低温端。本文测试和分析了不同品质的国产铅丸和进口铅丸对单级G-M型脉管制冷机性能的影响。采用额定功率为6．0 kW的压缩机驱动,使用进口铅丸脉管制冷机最低制冷温度达12．9 K,这是当前单级脉管制冷机达到的最低制冷温度;40 K时的最大制冷量为57．4 W。使用国产铅丸最低制冷温度为13．6 K,40 K时的最大制冷量为55．9 W。本文对低温制冷机蓄冷材料选择具有一定的参考价值。     

脉管制冷机回热器压力特性的实验研究北大核心

脉管制冷机回热器冷热端压比和压降的实验数据对回热器研究具有重要作用。为探究回热器冷热两端压比和压降的变化规律,基于实验室自制的直线型脉管制冷机的回热器冷热端压力特性测试平台,实验测量了回热器不同工况下的冷热端压比,分析了输入功对压力特性的影响,找出了频率、制冷温度对回热器压力特性的影响。实验结果表明:冷端压比实测值在1.11-1.14左右,输入功越大,冷热端压比越大;频率越大,冷端压比越大;冷端压比越高,制冷温度越低。     

脉管制冷机回热器压力特性的实验研究

脉管制冷机回热器冷热端压比和压降的实验数据对回热器研究具有重要作用。为探究回热器冷热两端压比和压降的变化规律,基于实验室自制的直线型脉管制冷机的回热器冷热端压力特性测试平台,实验测量了回热器不同工况下的冷热端压比,分析了输入功对压力特性的影响,找出了频率、制冷温度对回热器压力特性的影响。实验结果表明:冷端压比实测值在1.11-1.14左右,输入功越大,冷热端压比越大;频率越大,冷端压比越大;冷端压比越高,制冷温度越低。     

脉管制冷用于低温超导磁体冷却的可行性分析

采用制冷机直接冷却的低温超导磁体系统与传统液氮冷却方式相比，具有轻便紧凑、运行简单、维护方便、可长时间连续运行等优点；而脉管制冷由于冷端无运动部件，与传统的G-M制冷机相比，具有结构简单、运行可靠、振动小等优点．本文结合我们在液氮温区脉管制冷方面的技术，从漏热和经济性两方面探讨了将脉管制冷直接用于冷却一个5特斯拉NbTi低温超导磁体的可行性，为后期系统的搭建奠定基础．     

管壁导热对脉管内自然对流换热影响的研究

本文计算了不同脉管倾角和管壁材料下脉管管壁导热对自然对流换热的影响。发现脉管壁面导热对换热的影响不仅体现在增加了壁面的纯导热部分,更主要的上强化了脉管内的自然对流;壁面和内部气体的温度差异沿脉符轴向的变化是管壁导热强化自然对流的主要原因。     

环流问题与双小孔型脉冲管制冷机研究

１前言脉冲管制冷机已基本达到了实用化的程度。但在理论方面,仍有较多问题存在,其中双向进气型脉冲管制冷机内的环流问题成为一个讨论的热点和难点。１９９１年朱绍伟进行双向进气方案的实验验证时［１］,已经提到了环流问题,即进出双向阀门的流量不等造成的冷端温度...     

微通道脉冲管中He气交替振荡的分子动力学模拟

使用非平衡分子动力学模拟方法分析了微通道脉冲管(MPT)中由正弦速度活塞提供驱动力时He气交替振荡的微观动力学过程,并对MPT的冷却机制进行了分析.结果表明,MPT的压缩和膨胀过程之间存在一个交替的振荡过程,两个过程具有不对称的属性分布,膨胀过程具有比压缩过程更大的轴向压力梯度.当充气压力较低时,循环时间对冷端温度的影响很小,但是当充气压力高于20 bar时,冷端温度对时间较为敏感,随着时间的减少,冷端温度进一步降低,而冷端瞬时平均温度随着充气压力的增加而增加.另外,压比随着时间的减少而增加,并且明显不受充气压力的影响,但它会在MPT的轴向上产生较大的温度梯度.综上所述,在热端使用不同形式的换热器和调相元件会释放或回收额外的声功率.固定工作模式和尺寸参数的MPT具有最佳频率,可以在冷端获得最低的空载温度.仿真结果增进了对脉冲管制冷机的认识,并为微通道脉冲管制冷机的优化设计提供理论支持.     

改进冷端换热器的大功率脉冲管制冷机

依据热力学非对称理论对脉冲管制冷机冷端的热力学过程进行分析 ,对脉冲管制冷机制冷功率的提高提出了改进方案 ,搭建了单级低频大功率脉冲管制冷机的实验台 ,在实验中首次采用新型的填料烧结型换热器作为脉冲管的冷头 ,对这种换热器的效率在不同实验条件下进行了计算 ,并通过实验验证了这种新型换热器在脉冲管制冷机中应用的可行性。实验表明 :改进冷端换热器是提高脉冲管制冷机制冷效率的关键问题。在使用烧结换热器的单级脉冲管制冷机实验台上 ,采用输出功率 3k W的压缩机在 80 K时得到了 35W的制冷量 ,在效率上属国内领先水平。     

低温旋转阀脉冲管制冷机实验研究

本文讨论了一种可适用于气体液化的新型脉冲管制冷系统：在该系统中,回热器被间壁式换热器所取代。切换阀置于脉冲管冷端,和脉冲管作为一个整体,起气体膨胀机的作用。我们建立了相应的实验装置以测量整个系统的性能．利用空气作介质,系统进出口温降为６３．６Ｋ,绝热膨胀效率可达４２％。利用氦气作工质,脉冲管冷端最低温度达１６０Ｋ,每１Ｋ有０．７５Ｗ的制冷量。     

热端温度对高频微型同轴脉冲管制冷机性能的影响及其在空间技术中的应用研究

本文用数值方法对热端温度对微型高频同轴脉冲管制冷机性能的影响进行了分析,并将其与实验结果进行了比较,随着热端温度的升高,制冷机的最低制冷温度单调升高,制冷量单调减少,试验结果与数值计算结果定性相符。在此基础上,探讨了高频微型同轴脉冲管制冷机和辐射制冷器相结合在空间飞行器中的应用,提出了两种应用模式,用数值方法对之进行了分析。     

微通道脉管非线性交变振荡微观机理的分子动力学研究

采用分子动力学方法，对He在微通道脉管内的非线性交变振荡的热力学响应进行仿真，研究气体振荡诱导管内轴向压力梯度、温度场的形成，并阐述微通道长径比对温差与相位的影响.结果表明：微通道内伴随压差驱动力在管内形成类似正弦函数压力波、速度波、质量流量波与半正弦的温度波.振荡周期随脉管管径的增大而缩短，随脉管长度的增加而增长，受直径影响很小；微通道两端的时均温差随长度的增加而增大，受直径的影响很小.预测针对不同的脉管直径存在一个最佳长径比与振荡周期，其数值随直径的增大而增大，为优化脉冲管的性能提供理论依据.     

液氮温区热声驱动脉管制冷机的研究

热声发动机驱动的脉管制冷机是一种完全无运动部件的低温制冷机,具有非常好的应用前景,本文介绍了本实验室在这方面取得的最新进展。首先我们对驻波热声发动机进行了改进设计,提高了其驱动压比,用氦气作为工质最大压比达到了1.15。在此基础上我们用其驱动同轴双向进气小孔型脉管制冷机,通过调整热声发动机的振荡频率,使之与脉管达到匹配,最终达到了84.3K的最低制冷温度,这也是目前用驻波热声发动机驱动脉管所达到的最低制冷温度。同时,在此实验过程中,一些抑制跳频的方法也得到了实验验证。     

一种新的“L”型脉管结构在四阀型脉管制冷机中的试验研究

基于简化冷端结构的目的考虑,该文提出了一种“L”型脉管结构取代了通常的“I”型直脉管结构;并在脉管热端采用两个小孔阀分别进行控制脉管热端的进排气量,并对此结构使用有阀氦压缩机驱动,进行初步的试验研究,样机在频率为2.5Hz时,获得72K的冷头最低温度,针对此试验结果进行分析,给出了目前试验样机所存在的问题,提出了进一步改善的方法。