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。     

微型同轴脉管制冷机最低制冷温度影响因素的实验研究

本文对微型同轴脉管制冷机最低制冷温度的影响因素进行了实验研究。试验结果表明:在其他运行参数不变的情况下,随着氢浓度的逐渐减少,最低制冷温度也逐渐降低,当氢的摩尔浓度小于20％时,其最低制冷温度和纯氦相差不大。不同的氢氦配比下,该脉管制冷机的最佳运转频率为16.7 Hz。随着系统平均压力的提高,最低制冷温度也随之下降,但变化幅度越来越小。     

不同倾角的脉管制冷机内自然对流影响的研究

本文通过对脉管内自然对流的数值模拟，讨论了当脉管冷端处在不同方向时，脉管内的自然对流对脉管制冷机性能的影响．数值模拟结果表明，当冷端在下时获得的制冷温度最低；当热端在下并与重力方向成３０°时制冷温度最高．结论与实验测量结果定性一致．所做的理论分析对实现脉管制冷机的良好运行有指导意义。     

U型脉管制冷机冷头连接管的实验研究

设计了一台U型脉冲管制冷机,并对直线连接管和U型连接管两种不同的冷头连接管进行了实验研究。对冷头连接管与脉管之间的各种导流结构进行比较,找到了最佳的导流方式,并在此基础之上,研究了连接管管径对制冷机制冷性能的影响。结果表明,存在一个连接管最佳直径使得U型脉管制冷机获得最高的制冷效率;U型连接管相比较直线连接管会引起弯管损失,当输入声功越大时,损失越大;本实验中,最佳的U型脉管制冷机性能相对直线型脉管制冷机情况下降了18%。     

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。     

低于氮临界点温度工作的热声驱动脉管制冷机研究

采用热声发动机驱动的脉管制冷系统,消除了系统中的机械运动部件,具有结构简单、运行可靠和环境友好等优点。文中基于Regen 3.2软件,设计并制作了一台采用热声驱动的单级脉管制冷机。该制冷机采用双向进气结构,脉管和回热器为U型布置。初步实验研究中,以氮气为工质,该脉管制冷机获得了117.5K的最低制冷温度,低于氦的临界点温度126.19K;以氦气为工质,目前获得了83.5K的最低制冷温度。     

脉管制冷机性能数值模拟方法的研究进展及发展方向

本文对于脉管制冷机性能的数值模拟方法的发展过程进行了简要的回顾,指出,有限容积法是目前大多数研究者所采用的软件的基本框架。对于作者研究组在过去2年中的主要成果作了简要介绍,包括采用一维模型研究脉管的最佳长径比,最佳混合工质的摩尔配比,以及锥形脉管制冷机的最佳锥角等问题。介绍了对回热器的2维模拟以及对脉管中的自然对流3维计算的主要结果。最后对于进一步发展脉管制冷机数值模拟方法问题提出了作者的见解。     

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。     

脉管制冷与气波制冷耦合的研究

介绍了一种耦合脉管制冷与气波制冷技术的新型制冷机脉管式气波制冷机。分析了脉管式气波制冷机的制冷原理 ,对脉管制冷与气波制冷的耦合性进行了试验研究。同时 ,对振荡管长度、气体分配器的转速等影响脉管式气波制冷机性能的因素进行了试验。通过研究 ,获得了一些有益的结论 ,并给出了各种因素对制冷机等熵效率的影响曲线     

压力对热声驱动脉管制冷机性能的影响

讨论了充气压力对热声压缩机的起振温度等性能的影响 ,着重研究了工作压力对热声驱动脉管制冷机性能的影响。对自行研制的驻波型热声驱动脉管制冷机进行了改进和优化 ,在最近的实验中取得了 1 2 0 K的无负荷最低制冷温度 ,达到液化天然气温区。     

并联双阀双向进气单级脉管制冷机研究

并联双阀双向进气模式是采用了两个并联排列、箭头指示方向相反的阀门来替代单一阀门的双向进气模式,可对脉管制冷中的直流进行有效控制,是使脉管制冷机单级情况下达到低于20 K温区的有效手段。本文介绍了一台自行研制的采用并联双阀双向进气模式的单级脉管制冷机,该制冷机在6 kw压缩机的驱动下可获得19．6 K的无负荷制冷温度, 在39．2 K时有20．1 W的制冷量,同时给出了并联双阀和频率等参数对脉管制冷机性能的影响。     

一种基于弹性膜片的脉管制冷机

本文将介绍一种基于弹性膜片的斯特林脉管制冷机.该系统采用传统的油润滑活塞式压缩机作为驱动,用一种弹性膜片阻止润滑油进入制冷机,同时保证压缩机产生的压力波顺利传入制冷机.该系统在脉管制冷机入口和双向进气阀之间安装有另一弹性膜片,切断了脉管制冷机内引发直流的回路,彻底消除了直流流动.该制冷机系统在25 Hz,2.1MPa压力下获得了29.8 K的最低制冷温度.     

惯性管对热声驱动脉管制冷机性能的影响

为了考察惯性管对热声驱动脉管制冷性能的影响,利用驻波型热声驱动脉管制冷实验装置,开展了惯性管结构参数对系统性能影响的实验研究.实验中所采用的惯性管由直径分别为2 mm和4 mm的两段铜管串联而成,重点研究2 mm直径管段的长度对压比和制冷温度的影响.通过实验优化,当惯性管结构参数为内径2 mm的铜管长度2.5 m,内径4 mm的铜管3 m长时,在加热功率1.8 kW条件下,脉管制冷机的无负荷制冷温度达到63.0 K.     

50 K温区热声驱动脉管制冷

开展了采用声压放大器结构的驻波型热声发动机驱动单级双向进气型脉管制冷机实验研究,考察了声压放大器长度对热声驱动脉管制冷特性的影响.经过实验优化,采用长度3.7 m、直径8 mm的声压放大器,在2.0 kW加热功率条件下,实现1.196的压比,制冷温度达到54.5 K.     

单级大功率斯特林型脉管制冷机模拟与实验研究

为了研究大功率斯特林型脉管制冷机中存在的流动的不均匀性、回热器和脉管内的温度不均匀性、制冷机与压缩机的阻抗匹配等问题,本文基于模拟软件Sage设计制造了一台单级大功率斯特林型脉管制冷机并对其进行了初步试验研究。在60 Hz工作频率,充气压力为1.9 MPa时,800 W输入功率下达到最低无负荷制冷温度56.9 K;充气压力为2.0MPa,输入功率为4 kW时制冷量为41.2 W@77 K,与理论模拟结果存在较大差距。实验发现回热器存在严重的温度不均匀性,中部最大温差高达120 K。     

4K温区高频回热器级联温度研究

4K温区斯特林型脉管制冷机各级回热器的级联温度不仅决定最末级回热器的效率和性能,同时影响前几级回热器为最末级回热器提供的预冷量。本文基于一台采用两级G-M型脉管制冷机预冷的单级斯特林型脉管制冷机,开展了4 K温区斯特林型脉管制冷机回热器各级温位布置方式对4 K斯特林型脉管制冷机制冷性能以及第一级和第二级预冷量影响的理论及实验研究,为液氦温区完全斯特林型脉管制冷机的设计提供了重要的参考依据.     

惯性管并联结构对脉管制冷机性能影响的数值研究

随着脉管制冷机制冷量的不断增大,对脉管热端散热也提出了更高的要求,为此,提出了一种利用并联惯性管替代次水冷器进行冷却的结构,并利用Delta EC软件对采用此种结构的脉管制冷机进行了数值模拟。针对两种不同尺寸的脉管制冷机,以相对卡诺循环效率作为参考进行计算,结果表明在大尺寸的脉管制冷机中,惯性管并联结构和一根惯性管结构可以使制冷机获得相同的制冷效果,为大功率脉管制冷机次热端散热提供了新的思路。     

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。     

可达5K以下的三级斯特林型脉管制冷机性能研究

针对当前低温超导电子、军事及空间探测等对液氦温区紧凑、长寿命、高可靠性制冷技术的需求,设计并研制了一台三级斯特林型脉管制冷机。讨论了制冷机第三级的回热器、脉管、调相机构等相关参数的设计,着重分析了液氦温区回热器长度与温度分布的特殊关系。实验中以He-4为工质,第三级在充压0.91 MPa,频率29.9 Hz,输入电功率100 W的工况下获得了4.97 K的最低无负荷温度,有制冷量25 mW@6 K。该结果首次证明了采用He-4为工质、以三级结构的斯特林脉管制冷机实现液氦温区制冷的可行性。     

液氦温区脉管制冷的实验研究

本文研制了一台可以用于低温超导磁体冷却的液氦温区分离型二级脉管制冷机.单独测试第一级最低达到了13.8K,是单级脉管制冷机最低制冷温度新纪录;在40K温度下具有55.9W制冷量,可望在高温超导磁体冷却方面获得广泛应用.使用单压缩机单旋转阀驱动二级脉管,二级最低温度达到了2.6K,在4.2K下有590mW制冷量,同时一级在36.7K有15W的制冷量,满足小型低温超导磁体冷却的要求.