基于脉管制冷机的二维可压缩流动数值计算程序的开发与应用

本文在SIMPLEC计算程序的基础上,开发了适用于各种流动Mach的计算程序,既能用于计算不可压缩流体,又可以计算可压缩流动。利用此程序计算了一些典型算例,和有关文献结果符合较好。最后利用可压缩程序计算了小孔型脉管制冷机当小孔处于最佳开度时小孔处的气流分布。     

小孔型脉管制冷机的二维数值研究

本文建立了小孔型脉管制冷机的物理和数学模型,开发了描述小孔型脉管制冷机内二维可压缩交变流动与传热耦合计算的模拟程序,并对制冷机内的流场和温度场特性及其他一些重要的热力参数进行了详细的分析.通过对小孔型脉管制冷机的数值分析,直观地刻画了脉管制冷机内的工作过程和复杂流动现象,如二次质量流动和速度环形效应等.另外还得到了最佳小孔阀半径,对所研究的小孔型脉管制冷机,最佳小孔阀半径约为0.3 mm,当小孔阀开度为此最佳值时,制冷机的制冷量最大.     

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。     

脉管制冷机内流场与温度场的时空特性

为了进一步探究脉管制冷机内部流场与温度场的复杂时空特性,采用数值模拟方法,详细研究和分析了基本型、小孔型和双向进气型脉管制冷机的关键部件—回热器和脉管组件内流场与温度场的时空变化持性,得到了相应的时空分布图,有助于直观地理解回热器与脉管组件内热力参数的动态变化情况。与此同时,通过分析小孔阀和双向进气阀对脉管冷热端温度波动的影响规律,进一步指出:小孔阀和双向进气阀均会导致脉管冷热端的温度波动,且小孔阀造成的温度波动幅度要大于双向进气结构,因此,小孔阀是导致脉管冷热端温度不规则变化的主要因素。     

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.     

脉管制冷法的重要改进——双向进气可逆脉管的理论分析与实验验证

一、前言 脉管制冷机具有结构简单、可靠性高等优点,作为高技术领域中光电传感器的冷源特别有吸引力。美国Gifford教授最早提出的基本型脉管制冷法,其单级制冷温度只达到124K。1983年,苏联Mikulin教授提出了小孔型脉管制冷法(参见图1实线部分),大大提高了制冷机的制冷能力。遗憾的是,小孔脉管制冷机中由于小孔和气库的加入,增加了一个不可逆损失源。文献[3]指出:对于一个效率为75％的压缩机来说,小孔脉管制冷机的比功率在80K时,约为100W/W,远大于同样情况下的斯特林制冷机,其比功率约为40W/W。所以提高脉管制冷机的效率是一个急待解决的问题。     

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。     

热声制冷机板叠内流动与换热的数值分析

本文采用基于压力修正算法的可压缩交变流动程序,采用适体坐标生成网格,AUSM 格式离散N-S方程和能量方程,计算了二维基本型热声制冷机板叠内的流动与换热情况,探讨了板叠附近的温度随时间的变化,分析了周期时均能量.由模拟结果可以看出,在气体冷端,能量由气体进入板叠,时均能量为正,在气体热端,能量由板叠进入气体,时均能量为负,板叠热端的时均能量稍大于板叠冷端的时均能量,板叠产生了冷量.但与输入功相比,板叠产生的冷量较小,因此系统的内能增加,气体冷端的温度增加.并且随着板叠的厚度的增加,板叠冷热端温差先增大后减小,并存在最佳板叠厚度使得冷热端的温差达到最大.     

多路旁通脉冲管制冷机动态实验机理研究

1前言脉管制冷机无常规回热式制冷机中的冷腔运动部件，从根本上解决了冷腔振动、磨损等问题，具有结构简单、冷腔振动小、运转可靠、寿命长等优势，有着巨大的应用潜力［‘－‘］。目前，已引起世界各国的广泛重视，成为小型低温技术中一大研究热门。在经历了基本型、小孔型、双向进气型和双活塞型等重大革新后，最新资料表明脉管制冷机的制冷能力和效率已经接近Stirling和G－M制冷机。为了进一步提高了脉冲管制冷能力，1992年周远等提出了多路旁通脉管制冷方式。文献＊验证了中间旁通的效果，制作的单级脉冲管制冷机获得了23．SK的低温…     

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。     

场协同理论在脉管制冷机研究中的推广

本文采用理论分析和数值计算的方法,确认由过增元教授等提出的强化换热的场协同理论同样可以应用到能量转换过程。文中用场协同理论揭示了脉管制冷机发展过程中几次重大改进的实质,并以此理论指导改进脉管制冷机的结构参数,发现了脉管的最佳长径比。     

单级和两级脉冲管制冷机的设计和实验研究

介绍了一单级脉冲管制冷机的实验研究 ,并利用其作为一级进行了两级脉冲管制冷机的设计和实验研究。获得了2 1K的最低温度和两级脉冲管制冷机尺寸设计的经验     

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。     

低温制冷机和热声机中直流问题的研究

脉管制冷机中的直流流动和热声机械中的直流流动都是当前研究领域的热点问题 ,消除或积极利用直流流动是提高脉管制冷性能和热声机械效率的有效途径之一。文中介绍了几种主要的直流类型 ,并从实验和理论两方面揭示了直流现象产生的原因及其抑制、消除或积极利用的方法。     

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。     

有限存贮空间内可燃多孔介质流动和传热的研究

对通风条件下可燃多孔介质库房内的流动和传热特性进行了数值模拟,得到了库房有限空间内的温度场和速度场.通过比较不同的来流温度和入口流速,得到的结果表明:可燃多孔介质(弹药)内部发生化学反应并产生热量,其温度由中心向四周逐渐降低;来流流速越大,越有利于弹药的冷却;在来流速度相同的情况下,来流温度越低,越有利于散热,对于可燃多孔介质(弹药)的贮存越安全;在左侧进风口的上下两边以及可燃多孔介质(弹药)的上方,会形成漩涡.     

多孔介质内交变流动与换热的格子Boltzmann研究

针对制约脉冲管制冷机效率提高的蓄冷器内交变流动与换热问题,本文使用格子Boltzmann方法计算并分析了多孔介质内交变流动与换热特性。结果表明,交变流动压力波振幅对速度与压力和温度间的相位差的影响很小;通道界面处速度与压力的相位差在某一孔隙率下有一极小值;多孔介质内最大阻力系数与雷诺数的关系可以为设计蓄冷器时填料结构的...     

热声热机声场的格子气分析

从格子气自动机演化方程恢复了宏观热声方程,采用D2Q9热格子气模型模拟热声热机系统的压力场、温度场和速度场,获得压力驻波的传播和反射过程。模拟结果显示,在所给模拟条件下压力波具有非线性的特征,变截面附近的流场区域会产生引起非线性耗散的涡流。本文也分析了谐振管几何尺寸及格子气粒子密度对系统频率和压力的影响,验证了热声热机格子气模型的有效性。     

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。     

超临界CO2在烧结多孔圆管中换热的实验研究

本文对超临界压力二氧化碳在烧结多孔介质的竖直圆管中的对流换热进行了实验研究。分析了入口温度超过准临界温度、颗粒直径为0．2-0．28 mm的多孔圆管中,压力、流量、热流密度以及流动方向对超临界二氧化碳对流换热的影响。结果表明,准临界点附近剧烈变物性的影响使得超临界二氧化碳在多孔结构中的对流换热非常复杂。对流换热随着温度远离准临界温度和热流密度的增加不断减弱;流量对对流换热的影响比较复杂。在准临界温度附近,浮升力对换热有一定的影响。