高频脉冲管制冷机内部交变流动的实验研究

实验测量了脉冲管制冷机实际工作过程中的动态速度波和压力波,得出了小功率情况下及制冷机降温过程中速度和压力波动的幅值和相位的一些规律,对脉冲管制冷机内部气体交变流动的研究和数值模拟以及制冷机的设计具有参考价值.     

液氦温区两级4K脉冲管制冷机数值模拟

为模拟和动态显示工作在液氦温区的两级4K脉冲管制冷机内部工作过程和参数变化规律,发展了一种新的欧拉法-拉格朗日法数值计算模型。采用拉格朗日方法,直接跟踪脉冲管中气体微元随周期性压力波动的具体运行轨迹;采用欧拉法,直接模拟蓄冷器内部的动态参数变化。本文简单介绍该模型,并模拟了一典型两级4 K脉冲管制冷机各参数的变化情况,分析了多层磁性蓄冷材料对制冷机性能的影响情况。     

两级4K-脉冲管制冷机数值模拟

针对工作在液氦温区的两组4K-脉冲管制冷机的特性，为模拟和动态显示其内部工作过程和参数变化规律，发展了一种新的欧拉-拉格朗日数值计算模型。采用拉格朗日方法，用移动网格跟踪脉冲管中气体微元随周期性压力波动的具体运动轨迹；采用欧拉法，用固定网格直接模拟蓄冷器内部的动态参数变化。模型还考虑了实际气体工质（氦气）的热物性变化、多层磁性蓄冷材料、冷热端换热器及蓄冷器填料的压力降和非平衡换热等。并采用该模型数值分析一典型两极4K-脉冲管制冷机的气体温度、压力、流量和焓流在一个周期内的变化情况，分析了多层磁性蓄冷材料对制冷机性能的影响。     

高频脉冲管制冷机的数值模拟及其实验优化

随着高频脉冲管制冷机技术的发展,为了进一步提高制冷机的性能,需要对制冷机内部机理进行进一步的深入分析．运用数值模拟方法对脉冲管制冷机进行仿真模拟,能够有效直观地研究脉冲管制冷机的内部工作机理．本文采用CFD软件(FLUENT(?)),建立了回热器的多孔介质模型对不同工况的高频脉冲管制冷机进行全三维模拟计算,得到了高频脉冲管制冷机内部的流动分布,并通过计算得到了频率和平均压力对制冷机的内部参数和性能的影响．将计算结果与实际制冷机的优化结合起来,为实验的优化提供一定的依据．优化并得到了一种高效率的高频脉冲管制冷机,其80 K的COP达到4％以上．     

基本型脉管制冷机的全三维数值模拟计算

建立了基本型脉管制冷机的三维物理和数学模型,在可压缩流动程序的基础上,开发了基本型脉管制冷机的三维非稳态可压缩交变流动与传热耦合计算的数值模拟计算程序。考察了截面平均参数在一个周期内随时间的变化情况,详细分析了脉管内的流场和温度场以及其他各主要参数的变化,对脉管制冷机的工作过程和制冷机理有了进一步的了解和认识,为脉管制冷机的结构改进和实用化奠定了一定的基础。     

脉冲管制冷机变截面交变流动特性CFD研究

采用计算流体力学(CFD)方法,对小型脉冲管制冷机进行了二维数值模拟,研究了脉冲管制冷机部件变截面处的结构非对称性对流场的影响。数值模拟结果观测到由非对称结构所引起的非对称流动,揭示了第三直流效应的产生机理,这种非对称流动以周期性演变的涡量环流的形式进行。涡量环流的演变是一个能量的耗散过程,文中还对比了不同输入功率和运行频率对涡量耗散的影响。此外,将数值模拟结果与实验实测结果进行对比,验证了数值模拟的有效性,并从涡量耗散的观点出发对小型脉冲管制冷机输入功率增加到一定程度后制冷温度升高的反常现象进行了解释。     

脉冲管制冷机中4K回热器的数值模拟

为了研究液氦温区脉冲管制冷机的性能,本文对脉冲管制冷机中4 K回热器进行了数值模拟分析,建立了包括压缩腔、高温换热器、回热器、低温换热器和膨胀腔等五个区域的数理模型,同时考虑了~4He的非理想性以及钬铜体积热容随温度变化的影响;对4 K回热器的传热与交变流动过程进行了数值模拟,并分析了回热器中总能流、声功流、体积流率分布、相位的分布和温度分布。计算结果显示,系统在运行频率5 Hz,压缩腔入口压比1.37,输入声功8.14 W的情况下,理论预测在4.2 K时制冷量为0.27 W,考虑膨胀活塞回收的声功后相对卡诺效率为20.6%。     

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...     

低温蓄冷器流动特性的理论分析和实验研究 第一部分:理论模型分析及实验修正

蓄冷器是脉冲管制冷机等回热式制冷机的关键部件 ,其性能的好坏将直接影响制冷机的性能和效率。交变流动蓄冷器内部热量和动量的传输及转换过程是传热学、流体力学和热力学耦合在一起的复杂问题。文中从声电类比出发 ,提出了交变流动蓄冷器声阻抗分析方法 ,进行了初步的理论发析 ,并通过实验作了进一步的修正。该模型是建立在波动分析基础上的 ,可定性分析相关的实验现象和结果     

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。     

基于MP-PIC模型的流化床煤气化过程三维数值模拟

本文以多相流质点网格模型(MP-PIC)为基础,采用欧拉-拉格朗日方法,建立了流化床煤气化过程的三维可压缩数理模型,该模型同时考虑了稠密气固流动,传热传质和相内、相间的化学反应。通过不同操作参数下模拟计算,获得反应器内的流型、气体组分分布、化学反应速率变化等规律。模型计算所得的出口气体组分与实验结果进行了比较,数值模拟与实验吻合。     

Heat and mass transfer at adiabatic evaporation of binary zeotropic solutions

Results of numerical simulation of heat and mass transfer in a laminar flow of three-component gas at adiabatic evaporation of binary solutions from a flat plate are presented. The studies were carried out for the perfect solution of ethanol/methanol and zeotrope solutions of water/acetone, benzene/acetone, and ethanol/acetone. The liquid-vapor equilibrium is described by the Raoult law for the ideal solution and Carlson–Colburn model for real solutions. The effect of gas temperature and liquid composition on the heat and diffusion flows, and temperature of vapor-gas mixture at the interface is analyzed. The formula for calculating the temperature of the evaporation surface for the binary liquid mixtures using the similarity of heat and mass transfer was proposed. Data of numerical simulations are in a good agreement with the results of calculations based on the proposed dependence for all examined liquid mixtures in the considered range of temperatures and pressures.     

天然气催化反应壁面传热传质的数值研究

应用二维数学模型研究天然气催化燃烧壁面反应及载体气固界面上热质传递与流动耦合的现象。通过改变载体通道入口混合气体(天然气与空气)的温度、质量分数及壁面上反应的条件来评价努塞尔数和舍伍德数。模拟结果表明,努塞尔数和舍伍德数并不单独取决于燃料质量分数及壁面条件,而取决于壁面的反应速率。模拟同时表明,进口的温度对通道壁面传质影响最大,其它影响较小。     

高速动能弹温度场数值模拟

随着兵器发射技术和空气动力学技术的发展,动能弹的发射初速和飞行状态正从超声速向高超声速发展,由此产生了气动热问题.准确预测动能弹温度场是其气动力和热防护设计的关键技术.采用CFD预测温度场的方法,包括平衡流流动控制方程及差分格式,构造平衡流通量Jacob矩阵,在差分格式矢通量分裂过程中嵌入平衡流真实气体模型模拟温度场,获得平衡流气体状态方程.对典型高速动能弹热环境进行验证,考察方法的合理性.对设计的一种新型高超声速动能弹温度场进行数值模拟,为其气动设计及热防护提供了较可靠的数据.     

高速多组分流动的数值方法研究

针对燃气轮机内流高温、变组分的问题,在已有高精度、高分辨率算法的基础上发展了一套高速可压缩多组分流动数值计算方法。为了解决高速多组分流动中存在的特殊问题,采用全组分方程隐式联立求解和扩散速度修正方法提高了组分的守恒性和计算精度;通过求解比热比输运方程,消除了间断附近的压力振荡。经过多个典型算例验证,说明了本文方法的有效性,从而为下一步进行新一代燃气轮机内部真实流动的模拟奠定了基础。     

Code_Saturne程序在安全壳复杂流动中的应用

严重事故下核电安全壳内由于几何与流动的复杂性, 需要有可靠的程序对流动进行分析评估.文章采用符合核电安全标准的开源CFD程序Code_Saturne对壳内气体流动进行计算, 主要模拟壳内氢气和水蒸气喷放过程.该过程涉及多组分气体低速流动计算浮力效应引起的分层固体结构热传导结构表面与气体之间的热流和冷凝的计算.该程序使用了SIMPLEC格式并添加了低Mach数气体流动算法, 基于理想气体模型的多组分模型和薄板结构上的一维热传导模型.同时, 在此基础上改进了壁面函数方法,对壁面进行对流传热和传质流动计算.最后利用两个国际化标准问题对该程序及使用的模型进行了验证.      

等离子体对含硼两相流扩散燃烧特性的影响

为排除来流空气对含硼燃气的掺混效应, 研究等离子体对含硼富燃料推进剂在补燃室二次燃烧过程的影响, 建立了含硼两相流平行进气扩散燃烧物理模型. 利用高速摄影仪拍摄了含硼燃气在补燃室二次燃烧的火焰图像, 分析了该物理模型的扩散燃烧特性和硼颗粒的二次点火距离. 采用硼颗粒的King点火模型、有限速度/涡耗散模型、颗粒轨道模型和RNG k-ε模型以及等离子体模型, 模拟了一定条件下等离子体对含硼两相流扩散燃烧过程的影响. 结果表明, 依据含硼燃气二次燃烧图像得到的硼颗粒二次点火距离, 与数值模拟结果基本一致, 保证了该物理模型和计算方法的可靠性. 含硼两相流经过等离子体区域后, 硼颗粒在运动轨迹上颗粒温度明显增加, 颗粒直径明显减小, B₂O₃的质量分数分布区域明显扩增, 70%的硼颗粒在到达补燃室2/3尺寸前燃烧效率已达到100%, 硼颗粒充分燃烧释放出更多热量导致中心流线区域温度增加近1/2, 可见等离子体可以明显强化含硼两相流的燃烧过程, 提高硼颗粒的燃烧效率.     

Numerical and Analytical Approaches to Modeling Critical Two-Phase Flow with Granular Layer

Based on data obtained in the previous experimental study conducted by the authors, two approaches are proposed for analytical and numerical modeling of a critical two-phase flow in a pipe with a granular layer. An analytical approach is based on a polytrophic model, while a numerical approach was developed using a smoothed particle hydrodynamics method. A model of isenthalpic flow of vapor–water mixture in a fixed bed of solid particles is considered is this study. The mixture expansion process is considered to be polytropic. Similarly to the known problem of gas dynamics of a granular bed, an analytical relationship for calculation of a critical mass velocity was obtained. The results of the calculation based on the analytical and numerical models were compared with the experimental data and agreement between analytical and numerical data and the experiment was observed.     

Numerical investigation of the plasma processes for propellant heating in electrothermal plasma thruster for nanosatellites

Numerical investigation of the plasma processes in a cylindrical chamber with small dimensions of a novel microwave electrothermal plasma thruster for nanosatellites has been conducted. The absorbed microwave power from the electrons in the plasma column of the surface wave discharge is included in the computational model as a heat source with Gaussian distribution. The computational model takes into account the elastic and inelastic collisions of the electrons with the atoms in the ground state and two excited states (−s, −p) and the processes of recombination and deactivation of the plasma species in the volume and on the walls of the chamber. The computational model includes the flow of neutral gas and the processes in the plasma for effective heating of neutral particles by collisions not only with electrons but also with ions. Selected combinations of input power and propellant mass flow rates are used as initial parameters for the numerical investigation. The results show that at higher mass flow rates the heating of the neutral gas is more effective and at power levels of 4 W and propellant mass flow rate of 3 mg/s the electrothermal plasma thruster demonstrates effective performance and thrust levels in the order of 1 mN.     

并联换热系统中冷媒分配的优化分析

为减小并联换热系统的质量,本文在一定的简化和假设之上,建立了其流动与传热的物理和数学模型;并以系统总换热面积最小为优化目标,通过对分配系数的变量转换,提出了一种可准确求解最佳分配系数的方法,并对计算结果进行了讨论,发现分配系数的结果与势容耗散最大基本一致.根据计算结果.本文给出了支路较少时分配系数与换热支路效能之间的近似关联式.