脉冲管制冷机调相机构的研究 第一部分 双向进气模式的研究

基于线性热声理论,通过数值计算定量分析了双向进气对脉冲管制冷机性能的影响,指出:在惯性管已经为脉冲管制冷机提供了所需的最佳阻抗时,双向进气不能提高脉冲管制冷机的性能,只有在惯性管没有为制冷机提供作需的最佳阻抗时,双向进气模式才能发挥积极的作用。     

双向进气与惯性管功能的研究

基于线性热声理论,本文对斯特林型脉冲管制冷机的调相机构一双向进气和惯性管进行了系统的数值模拟,研究结果表明:在惯性管结构能够为脉冲管制冷机提供所需要的最佳阻抗时,双向进气模式不能提高脉冲管制冷机性能;但是因为惯性管调相能力有限,不能为小功率脉冲管制冷机提供所需要的最佳阻抗,此时双向进气仍然能够为提高脉冲管制冷机性能发挥积极的作用.另外,本文还总结了脉冲管制冷机调相机构实验中出现的现象,对其进行了理论解释,这也是对本文结论的有力佐证.     

脉冲管制冷机调相机构的研究 第三部分 惯性管调相能力的研究

惯性管作为脉冲管制冷机的主要调相机构,可以为制冷机获得合适的相位关系。但是有的制冷机仅仅使用惯性管作为调相机构,有的同时还采用双向进气作为调相机构,这引起了人们对二者使用的混乱认识。为了深入了解惯性管在脉冲管制冷机中的调相作用,对惯性管的调相能力进行了研究,发现惯性管并不能为所有的脉冲管制冷机实现所需的阻抗,因此双向进气模式在有的制冷机中仍然能够发挥积极的作用。     

双向进气对于G-M型单级脉冲管制冷机性能影响的实验研究

根据Redebaugh相位分析理论,建立了双向进气对于G-M型脉冲管制冷机性能影响的数学模型,在此基础上提出了制冷机性能优化的若干措施。同时建立了单级G-M型脉冲管制冷机性能实验系统,通过改进小孔阀的开度,优化旋转阀的进气频率和双向进气的开度,使系统性能得到了明显的改善。     

脉冲管制冷机机理研究新进展

脉冲管制冷机是近年来空间微型机械式制冷机研究的前沿课题，作者通过精确的实验测量和分析，首次发现了双向进气型脉中管制冷机存在直流分量，该直流分量是脉冲管制冷机的一种损失，并指出多种旁能流程可以减小直汉损失，提高脉冲和制冷机的制冷性能。     

16．1K的高频两级脉冲管制冷机的实验研究

单级高频脉冲管制冷机直接降低到20 K以下温区存在很大困难,采用多级方案是高频脉冲管制冷机获得更低温度的主要方法.本文介绍了一套高频气耦合型两级脉冲管制冷机的性能特性,该脉冲管制冷机可以达到16.1 K的最低温度,是目前有报道高频气耦合型两级脉冲管制冷机的最低温度.文中给出了双向进气、频率和输入功率对最低温度的影响.     

单级高频脉冲管制冷机研究

采用单级高频脉冲管制冷机获得低于30 K的制冷温度是脉冲管应用的一个新方向.本文介绍了一套获得了26 K最低制冷温度的单级高频脉冲管制冷机,这是无多路旁通的单级高频脉冲管制冷机获得的最低温度.实验表明,即使对于惯性管作为主要调相结构的高频情况,双向进气方案在进一步调相和降低温度方面仍有很大作用.该工作为单级高频脉冲管制冷机在30～40 K温区的应用奠定了基础.该实验结果和模拟分析结果基本相符.通过和二级制冷机的比较说明了单级制冷机的优势,即较大的制冷量斜率.     

脉冲管制冷机新进展直流现象

简述了脉冲管制冷机研究现状和存在的问题 ,介绍了低温中心建立的脉冲管制冷机动态参数实验系统。通过对一典型脉冲管制冷机的动态参数的实验数据测量 ,分析了动态压力和质量流量之间的振幅和相位关系 ,首次在实验中发现了存在于脉冲管制冷机内部的直流现象 (DC-Flow)。指出该直流分量是脉冲管制冷机的一种损失 ,揭示了多路旁通进气方式可减小直流损失 ,提高脉冲管制冷机的效率。并从理论上分析了产生直流现象的根本原因 ,给出了直流分量的具体数值和大小。     

一种用于超导实验的脉冲管制冷机

本研制了一台脉冲管制冷机，通过对其结构尺寸进行优化，采用双向进气和多路旁通等先进技术，制冷机最低温度达到４６Ｋ，７７Ｋ有１．６Ｗ的制冷功率；为了使制冷机长期可靠的运转，本提出并研制单向截止阀过滤装置，效果良好，该装置可以替代ＬＮ２提供低温冷源，为超导实验等方面服务，与超导材料的耦合测试结果是令人满意的。     

0.2 W@20.6K单级高频脉冲管制冷机研究

本文介绍一台单级高频脉冲管制冷机的实验结果,研究了充气压力、运行频率、热端温度及冷头朝向等参数对制冷机性能的影响。该制冷机采用多路旁通方案、同轴结构,联合采用双向进气和惯性管气库进行调相。长颈管穿过压缩机内部后密封在气库里,气库、压缩机与脉冲管耦合成一体,结构紧凑。在充气压力1.7 MPa,输入电功260 W时,能够在20.6 K获得0.2 W,在24.1 K获得0.5 W的制冷量;在268 W输入电功,38 Hz运行频率条件F,无负荷最低温度18.6K是单级高频脉冲管制冷机在国际上首次获得的最低温度。     

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.     

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。     

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。     

长颈管在微型脉冲管制冷机中的应用分析

长径管作为调相器应用于微型脉冲管制冷机系统时存在阻抗不匹配现象,即调相效果好时,往往脉冲管热端阻抗大小,从而使脉冲管中的压力波幅值小,蓄冷器中损失增大,制冷性能降低;用不同管径和长度的长径管作为调相器时,最低制冷温度产生在阻抗匹配区域或热端阻抗最大的区域;对于本实验中的微型脉冲管制冷机,以长颈管作为调相器时最低制冷温度为107.3 K,低于以单纯的小孔阀作为调相器时所获得的最低制冷温度,但还达不到双向进气的水平。     

Development of Ionization waves in an Atmospheric‐Pressure Micro‐Plasma Jet

Present study investigated the development of ionization waves in an atmospheric‐pressure plasma jet. Plasma was ignited by 6 kHz sinusoidal voltage applied to a cylindrical electrode surrounding the 500 μm inner diameter quartz tube and positioned 10 mm upstream from the tube orifice. The plasma current was observed using a plane electrode placed 20 mm downstream from the tube orifice. The spatial development of ionization waves was monitored by registering the optical emission along the axis of the tube. At voltages in range of 5.5 ‐ 7.5 kV only one pulse occurred during positive half‐period while at higher voltages the number of pulses increased up to 6 ‐ 7 per half‐period. The development of the first and subsequent pulses during one half‐period was essentially different. For the first pulse the sharp rise of optical emission characterizing the front of the ionization wave occurred initially near the high‐voltage electrode and moved towards the tube orifice and further in the He jet. The propagation of ionization wave coincided with the rise of the displacement current measured at the plane electrode. For subsequent ionization waves of the same half‐period, the emission occurred initially at the tube orifice and the ionization wave developed simultaneously in two directions: towards the high‐voltage electrode and towards the end of the jet. The velocity of ionization wave inside the tube was in range of (2. 5 ‐ 5.0) · 10⁴ m/s for first wave and as high as 1.2 · 10⁵ m/s for subsequent waves. (© 2016 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

一种间接测量惯性管阻抗的方法

惯性管是脉冲管制冷机的一个重要部件,需要保证其在脉冲管热端提供合适的阻抗幅值和相位。如何准确确定惯性管阻抗一直是个难点。本文利用直线压缩机背腔内压力波动计算体积流率,从而间接得到惯性管入口体积流率,进而得到惯性管阻抗特性,并与DeltaEC计算做了详细对比,为进一步优化脉冲管制冷机打下基础。本文首先介绍了惯性管的热声计算模型及其湍流修正方法,并详细介绍利用压缩机了测量体积流率的方法。实验中重点考察了频率、惯性管入口压力波动、气库体积大小对阻抗的影响,并对实验结果进行了分析。实验结果表明,阻抗幅值及相角跟湍流模型计算结果总体而言相当吻合,但在某些区域还需进一步修正。     

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.     

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。     

On the mechanism of flow evolution in shock-tube experiments

The paper studies numerically the flow development behind the shock wave propagating inside the tube. The detailed analysis of the flow patterns behind the shock wave allows determination of the gas-dynamical origins of the temperature non-uniformities responsible for the subsequent localized start of chemical reactions in the test mixture. In particular, it is shown that the temperature field structure is determined mainly by the mechanisms of boundary layer instability development. The kinetic energy dissipation related to the flow deceleration inside boundary layer results in local heating of the test gas. At the same time, the heat losses to the tube wall lead to the cooling of the gas. Therefore the temperature stratification takes place on the scales of the boundary layer. As soon as the shock wave reflected from the end-wall of the tube interacts with the developed boundary layer the localized hot regions arise at a certain distance from the end wall. The position of these hot regions is associated with the zones of shock wave interaction with roller vortices at the margin between the boundary layer and the bulk flow. Formulated mechanism of the temperature field evolution can be used to explain the peculiarities of non-steady shock-induced ignition of combustible mixtures with moderate ignition delay times, where the ignition starts inside localized kernels at distance from the end wall.     

低温蓄冷器流动特性的理论分析和实验研究 第二部分:阻力特性

交变流动蓄冷器流动特性的研究是高频脉冲管制冷机进一步实用化的重要课题之一。文中建立了热线风速仪的低温标定实验台和低温交变流动蓄冷器流动阻力的动态测试实验台 ,并在冰盐温度下和液氮温区进行了实验研究 ,重点研究了液氮温区蓄冷器交变流动的阻力特性 ,给出了充气压力、运行频率、丝网目数、小孔开度对交变流动蓄冷器阻力特性的影响。