液氮溫區(qū)大功率斯特林型脈管制冷機回?zé)崞鳒囟炔痪鶆蛐约靶阅軆?yōu)化研究.pdf

1、液氮溫區(qū)大功率低溫制冷機在能源電力、國防軍事、氣體液化、醫(yī)療、交通運輸和低溫物理等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。斯特林型脈管制冷機具有可靠、高效、緊湊、輕質(zhì)等突出優(yōu)點，可望滿足日益增長的高溫超導(dǎo)應(yīng)用要求，因此逐漸成為低溫制冷機領(lǐng)域的研究熱點。近年來，大功率斯特林型脈管制冷機雖然已取得一定進(jìn)展，但是與商業(yè)化的大功率低溫制冷機如G-M制冷機和斯特林制冷機相比在制冷效率和穩(wěn)定性上仍有不少差距。研究表明大功率脈管制冷機并非小功率脈管制冷機的簡單放大，回?zé)崞?/p>

2、內(nèi)的溫度與流動不均勻性、大功率換熱器設(shè)計等僅屬于大功率斯特林脈管制冷機的復(fù)雜科學(xué)問題嚴(yán)重制約了其發(fā)展。本文將以進(jìn)一步提高脈管制冷機在液氮溫區(qū)的制冷性能為目標(biāo)，著重研究大尺寸、大功率高頻回?zé)崞鞯膫鳠崤c流動特性，揭示回?zé)崞鳒囟炔痪鶆虻男纬杉皳p失機理，探索在高頻大功率條件下實現(xiàn)高效回?zé)岬姆椒ǎM(jìn)而提高脈管制冷機在液氮溫區(qū)的制冷效率，最終為拓展低溫制冷機的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。為此本文開展了以下三方面的理論和實驗的研究工作:
　　1.開

3、發(fā)了液氮溫區(qū)單級大功率斯特林型脈管制冷機數(shù)值模擬程序，并對大功率斯特林型脈管制冷機工作機理進(jìn)行了深入的理論分析:
　　為了更全面、正確地把握大尺寸、大功率高頻脈管制冷機的制冷及損失機理，本文基于數(shù)值軟件Sage建立了單級大功率斯特林型脈管制冷整機模型，在仿真計算基礎(chǔ)上研究了回?zé)崞?、脈管等主要部件的幾何尺寸，回?zé)崞魈盍系葘χ评錂C內(nèi)部傳熱流動特性與制冷性能的影響。為提高制冷機效率，大功率斯特林型脈管制冷機應(yīng)采用小長徑比的回?zé)崞?，以保證

4、聲功耗散能力的同時減少流阻損失。制冷溫度越高，以制冷量為優(yōu)化目標(biāo)所對應(yīng)的最佳回?zé)崞鏖L度越短，因此本文對回?zé)崞鏖L度進(jìn)行優(yōu)化從而提升制冷機在液氮溫區(qū)的制冷性能。另外，分析了充氣壓力和運行頻率對制冷性能的影響，可為單級斯特林型脈管制冷機的性能優(yōu)化提供參考。經(jīng)模擬計算，制冷機能達(dá)到31.5K的最低無負(fù)荷制冷溫度，在80K可以獲得508W制冷量。
　　2.對大功率脈管制冷機回?zé)崞鳒囟炔痪鶆蛐赃M(jìn)行了理論研究，推導(dǎo)了回?zé)崞鳒囟炔痪鶆蛐砸鸬南鄬?/p>

5、直流解析式，發(fā)展了并聯(lián)回?zé)崞髡麢C數(shù)值模擬程序:
　　回?zé)崞鳒囟炔痪鶆蛐栽斐闪藝?yán)重的直流損失，制約了大功率脈管制冷機的性能優(yōu)化。本文對回?zé)崞鲀?nèi)溫度不均勻性產(chǎn)生的機理，對回?zé)崞餍阅艿挠绊懸约耙种品椒ㄟM(jìn)行了系統(tǒng)歸納和總結(jié)?；?zé)崞鲀?nèi)微弱的直流即可誘發(fā)回?zé)崞鲀?nèi)徑向溫度不均勻性，而徑向溫度不均勻性又會進(jìn)一步促進(jìn)直流的產(chǎn)生。基于熱力學(xué)理論推導(dǎo)了回?zé)崞鲀?nèi)相對直流解析式。指出不均勻孔隙率或徑向溫度分布均可以導(dǎo)致直流的產(chǎn)生，另外對軸向溫度梯度、回?zé)崞?/p>

6、長度、回?zé)崞魈盍咸匦院统錃鈮毫Φ葘責(zé)崞鲀?nèi)直流的影響進(jìn)行了分析。建立了并聯(lián)回?zé)崞鲾?shù)值模擬程序討論了不均勻孔隙率對回?zé)崞鳒囟炔痪鶆蛐院椭评湫阅艿挠绊?，為進(jìn)一步抑制回?zé)崞髦绷鲹p失，優(yōu)化制冷機性能提供了理論指導(dǎo)。
　　3.發(fā)展了回?zé)崞鞲邿釋?dǎo)率復(fù)合填料結(jié)構(gòu)，深入研究了其工作機制，在此基礎(chǔ)上對復(fù)合填料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化:
　　為抑制大功率斯特林型脈管制冷機回?zé)崞鲀?nèi)的溫度不均勻性，減小回?zé)崞髦绷鲹p失，提出了回?zé)崞鞲邿釋?dǎo)率復(fù)合填料結(jié)構(gòu)，將原