基本型脉管内气体振荡制冷机理的分子动力学模拟

脉管制冷机在当今社会应用广泛,但目前对脉管内部气体流动的热力动态过程缺乏微观机理研究。本文采用分子动力学模拟方法,建立微通道模型,并对微通道内进行充气和放气,模拟脉管的压缩和膨胀过程,研究脉管轴向压力、密度、速度和温度随时间的变化。结果表明:随着过程进行,气体轴向的压力与密度梯度逐渐减小,直至达到平衡,但会出现微小的逆向梯度。膨胀和压缩过程在64 ps时,在微通道出口附近出现最大速度,分别为775 m/s和864 m/s,且随着反应的进行,最大速度处逐渐向压力低的方向移动。微通道内各点压力波与速度波的相位随位置而变。在压缩过程中,微通道内靠近封闭端温度较高,可高达500 K;远离封闭端温度较低,可降至223 K,膨胀过程则相反。一次循环温度场叠加时,在热端处,时间积分的平均值为375 K;在冷端处,时间积分的平均值为244 K,有利于热端向环境散热和冷端制冷。     

脉管内粗糙度对气体热动力特性影响研究

脉管制冷机在很多领域应用广泛,但脉管内部气体热动力特性的影响因素缺乏研究。采用分子动力学的方法,建立三种不同类型的通道,模拟脉管内部气体流动的热动力过程,研究壁面粗糙度、通道形状对脉管内气体流动温度场的影响。结果表明:粗糙元高度增加时,壁面摩擦导致的热量使得温度提高;通道形状导致的摩擦也会使得温度场温度上升,两者均不利于脉管的冷端制冷。粗糙元对冷端温度的影响比通道形状更加突显。系统压力也会影响冷端温度,随着系统压力的升高,冷端温度下降。     

热端管长度对涡流管流场影响的数值模拟研究

以理想CO_2气体为工质,采用Standard k-ε湍流模型,对涡流管能量分离效应进行数值模拟,分析了管内流体流场的分布以及内旋流与外旋流分离界面的分布。在此基础上,探究了进口温度为298.15 K、进口压力为6.5 MPa、冷流率为0.1时,热端管长度对涡流管内流场分布以及能量分离性能的影响。模拟结果表明:热端管长度在100～200 mm范围内变化时,随着热端管长度的增大,轴向上:轴向速度逐渐增大,切向速度逐渐减小、径向上:轴向速度会出现运动方向相反的情况,切向速度先增大后减小,制冷温度效应呈现先增大后减小的趋势。     

声功回收连管对脉管制冷机性能的影响

声功回收型脉管制冷机拥有更高的理论效率,其主要原因是回收了脉管热端的膨胀功。声功回收装置出口至压缩机出口之间的连管,对声功回收有着重要影响。通过理论分析,计算了连管阻抗对脉管制冷机性能的影响;建立了一维整机模型,通过改变连管结构参数,模拟了声功回收连管对脉管制冷机性能的影响,以及对回热器冷热端相位角的影响。研究发现,相同管径下连管越短,脉管制冷机性能越好。选择不同长度的连管进行了实验验证。结果表明,在相同的制冷能力下,随着声功回收连管长度的增加,压缩机输入的电功率明显增大。     

U型脉冲管制冷机中冷头连接管的影响

研究了U型脉冲管制冷机冷头连接管直径、连接管长度、连接管两端锥管长度和脉管导流结构参数对制冷性能的影响,计算分析了连接管最佳参数随制冷温度、压比的变化情况。结果表明,连接管的直径对制冷性能具有显著的影响,并且存在最佳直径;连接管长度、压比和制冷温度的变化将对连接管最佳直径产生一定的影响;层流时,脉管导流结构中较小的丝网目数对制冷性能有改善,连接管两端设置较短的锥管对制冷性能有提高。     

脉管内射流对脉管制冷机性能影响的仿真和实验研究

针对脉管制冷机运行时脉管热端的射流现象,通过CFD仿真方法分析了射流对脉管内部温度分布及对制冷机性的影响。模拟结果表明射流的存在加强了脉管内冷热工质的混合,强化了脉管导热能力,使脉管冷端冷量损失增大,从而降低了整机制冷性能。为验证这一结果,搭建了实验台,为射流对脉管温度制冷机的影响进行测量,对比了发生射流和对射流进行抑制时脉管长度方向的温度分布和冷指性能,实验结果和模拟结果相符。     

低于11 K的单级脉管制冷机性能研究

研究了回热器长度以及80 K以下温区不同回热材料布置形式对单级G-M型脉管制冷机性能的影响.试验研究表明,适当增加回热器长度,制冷机性能可显著提高.在此基础上对低温区回热材料进行优化,采用Er3Ni、铅丸和不锈钢丝网3层复合回热材料获得了最佳的制冷性能.采用额定输入功率为7.5 kW的压缩机驱动,脉管制冷机最低制冷温度达10.9 K,这是目前单级脉管制冷机达到的最低制冷温度.该制冷机在21 K可获得20 W制冷量.     

低温冰箱自由活塞式斯特林制冷机模拟与优化

自由活塞斯特林制冷机具有高效紧凑,适合中低温制冷等优点。对用于低温冰箱自由活塞式斯特林制冷机进行了一维建模,并实现整机性能的模拟与优化。在考虑各种空体积的情况下,模拟分析了压缩活塞PV功和相位角的变化对整机性能的影响,获得了制冷机运行的最佳相位。对比了环形回热器的填料及填充方式对自由活塞式斯特林制冷机的性能影响,及对应材料下回热器的轴向导热损失情况。模拟了制冷机性能随回热器空隙率和制冷温度的变化情况,计算分析了回热器内部的不可逆损失随空隙率的变化情况,并且获得了不同温度下的最佳空隙率。最后,为了获得好的制冷性能,优化不同制冷温度的回热器设计参数及膨胀活塞与气缸壁的密封间隙宽度。     

行波热声发动机驱动的脉管制冷机研究

通过改变热声发动机谐振直路长度,研究系统在不同工作频率下的性能.研究发现,在一定条件下降低频率可以显著改善脉管制冷机的性能.在工作压力为2.7 MPa,加热功率为2 350W,工作频率为45 Hz时,双向进气型单级脉管制冷机获得了80.9 K的最低制冷温度,这是目前用热声制冷方法获得的最低制冷温度.     

热端管长度对涡流管性能影响的实验研究

研制了不同热端管长度的涡流管,并以空气作为工作介质,通过实验研究了热端管长度对涡流管能量分离性能的影响.实验结果表明:对于常温涡流管,在入口压力为0.5MPa的情况下,相同冷流率时,随着热端管长度的增加,涡流管的制冷温度效应、单位制冷量和制冷系数增加,而其制热温度效应无显著的规律;对同一热端管长的涡流管,随着冷流率的增加,涡流管的制冷温度效应、单位制冷量和制冷系数增加,且在冷流率为40%～50%时出现峰值,而制热温度效应随冷流率的增加而增加,在冷流率范围内未出现峰值.     

40 K温区驻波型热声驱动两级脉管的制冷特性

进行了驻波型热声发动机驱动两级脉管的制冷特性实验,样机获得41.2 K的无负荷制冷温度.通过观测热声板叠热端和冷端温度、压力波的振幅、压比和频率,以及脉管制冷机制冷温度等,分析了平均工作压力和加热功率对系统性能的影响.根据实验数据,讨论了系统存在的问题,并指出了改进的方向.     

热端管长度对涡流管性能影响的实验研究

研究了不同热端管长度情况下涡流管的能量分离性能。实验中,采用纯度为99.99%二氧化碳为工质,进口压力为0.4 MPa。实验发现,在相同进口压力下,随着热端管长度的增加,涡流管制冷效应呈现先增大后减小的趋势,热端管长度为125 mm时具有最佳制冷温度效应,制热效应逐渐增大。同一管长时,轴向Z=12.5—50 mm壁温变化剧烈,热端出口附近壁面温度受回流影响较大,冷流率越大受回流影响越大。冷流率0.6、0.7时壁温随着管长的增大呈现先增大后减小的趋势,冷流率0.8时各管长壁温差别较小。     

微通道换热器结霜特性及换热性能实验研究

结霜是制约微通道换热器在制冷及空调系统应用的主要因素之一。针对微通道换热器结霜问题,本文基于相变驱动力分析了结霜机理,观察了不同环境因素下冷表面霜层生长形貌,并实验研究了湿空气温度、含湿量、气流速度及冷却液温度对微通道换热器结霜特性及换热性能的影响。结果表明:湿空气含湿量及气流速度是影响微通道换热器结霜的主要因素,结霜时间为15 min,含湿量为5.75 g/(kg干空气)工况下,换热器表面结霜量比含湿量为3.58 g/(kg干空气)时提高了63.87%;气流速度为2.5 m/s工况下,换热器表面结霜量比气流速度为1 m/s时增加了55.4%。随着结霜时间的增长,湿空气温度、冷却液温度越低,含湿量、气流速度越大,换热量下降趋势越明显。     

摩擦发电微流体传感器特性的有限元仿真研究

近年来,摩擦发电技术被广泛应用于信号传感领域,尤其是对封闭管道中液体输运的信号监测。为阐释基于摩擦发电效应的微流体传感器的工作原理,通过有限元仿真模拟,研究这种微流体传感器的信号产生过程及其传感特性,并通过实验测得该传感器在检测微流体运动时输出的交流电信号,验证仿真模型的正确性。另外在仿真模拟中,通过控制变量法,探讨基于摩擦发电效应的微流体传感器的传感性能随介电层厚度、电极间距及液体长度与电极宽度之比的变化规律。结果表明这种微流体传感器的输出信号强度随介电层厚度的增大而减小,而随电极间距的增大表现出先增大后减小的趋势,随液体长度与电极宽度的比值变化呈先增大后保持恒定的变化规律,该项研究工作将为研制更高传感性能的微流体传感器提供一定理论指导。     

基于硅基回热器的微型脉管制冷机的数值模拟

随着电子器件热流密度的不断增加,开发和使用结构紧凑且高效的微型制冷器件已非常迫切.使用Fluent 19.0软件对基于硅基回热器的微型脉管制冷机在不同回热器空隙率、冷热端温度和相位条件下的制冷性能进行了数值计算.结果表明:硅基回热器的空隙率对制冷性能有重要影响;在固定几何参数下,存在一个最佳空隙率使得制冷机的COP最大...     

整体翅片式微通道换热器的数值模拟

采用CFD数值模拟的方法,对整体翅片式微通道换热器空气侧的流动与传热特性进行研究,用场协同的原理分析翅片参数(长度、高度、间距)对换热器性能的影响,并与传统微通道换热器空气侧性能进行对比。结果表明:在考查的翅片尺寸范围内,随着翅片长度的缩短、高度的增加、间距的减小,温度场和速度场的协同性随之改善,有利于换热效果的提高;与传统的微通道换热器相比,整体翅片式微通道换热器空气侧换热性能变差,但是阻力大大降低,总体性能有所改善。     

主动调相型脉管制冷机数值模拟与实验研究

设计了一台主动调相型斯特林脉管制冷机,采用线性压缩机作为脉管制冷机主动调相控制器(APC),连接于冷指热端出口。通过控制调相压缩机与驱动压缩机(PWG)间的位移相位角实现主动调相,从而调节质量流和压力波之间的相位关系,优化制冷性能。利用模拟软件进行数值模拟并进行实验研究。研究结果表明,定输入功下APC与PWG位移相位角为-110°及扫气容积比(PWG扫气容积/APC扫气容积)2.98时,无负载制冷温度最低,同时比卡诺效率最高,能够达到原惯性管型脉管制冷机同样的效率。     

多孔泡沫金属填充的通道型正压标准漏孔漏率的数值模拟北大核心CSCD

针对同类通道型正压标准漏孔在不同工况下漏率的机理问题,将多孔泡沫金属填充于通道型正压标准漏孔中并建立数学模型。采用数值模拟的方法分别分析了不同工况条件下对通道型正压标准漏孔漏率的影响,同时给出泡沫金属内部速度场分布。结果表明,在恒定的气源压力下,与Air、He以及D2相比,H2获得的漏率最大;漏孔的漏率随气源压力的增大而增大;对于恒定的孔径或孔隙率条件下,通道型正压标准漏孔的漏率随着孔径或孔隙率的增大而增大,随通道型正压标准漏孔长度的增加而降低;非线性变化孔隙率能够有效改善并控制漏率的大小。该项研究对正压标准漏孔的生产和发展、计量方面的检漏工作,以及控制漏率来优化和设计密封系统性能方面提供了有价值的参考意义。     

G-M型脉管制冷机电磁阀和旋转阀配气系统的比较实验研究

配气系统作为G-M型低温制冷机的重要部件,对制冷性能有较大影响.基于1台自行研制的单级G-M型脉管制冷机,对其电磁阀配气系统和旋转阀配气系统进行了比较实验研究,重点研究了频率、时序对制冷性能的影响.实验结果表明,增大电磁阀通道数目可以在一定程度上提高压比从而提高制冷性能,但其在制冷性能方面与旋转阀相比仍存在差距.从电磁阀和旋转阀结构方面探讨了造成性能差异的主要原因.     

脉管制冷机的分类

近１０年中，相移器的不断改进促进了脉管制冷技术的发展。相移器可以是第二进气口、热端膨胀活塞、四阀机构、主动气库、声阻管、内调相装置，或是第二小孔。为了满足多科应用要求，以其工作频率进行分类是选择脉管制冷机的一个好方法。论述了脉管制冷机的工作频率范围及其各种相移器的性能。１　前　言近１０年来，脉管制冷机（ＰＴＣ）研究取得了巨大进展，目前已经能够提供与其它低温制冷机，如斯特林制冷机、Ｇ—Ｍ制冷机等相当的制冷温度范围。单级脉管制冷机获得的最低制冷温度已接近２０Ｋ，而多级脉管制冷机的温度已低至２Ｋ。Ｒａ…