场协同理论对脉管制冷却研究指导.pdfVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 第十届年会 编号：013162 场协同理论对脉管制冷机研究的指导 吴明何雅玲陶文铨陈钟颇 西安交通大学能源与动力工程学院，西安，7104)49 摘要： 本文采用理论分析和数值计算的方法，发现由过增元教授等提出的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咏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． 关键词： 场协同理论：脉管制冷机；数值模拟 1引言 1998年，过增元教授对边界层类型的流动提出了一种强化换热的新概念¨1，指出减小 速度场与温度梯度的夹角，即速度矢量和温度梯度矢量方向的协同一致．可以达到强化换 热的目的，这一观点被称为“场协同”。研究发现，这一思想同样适用于椭圆型的流动。 协同就意味着各种相互作用力之间的协调一致。我们将这一思想推广到脉管制冷机的 能量转换过程，发现了场协同理论可以很好地揭示脉管制冷机发展过程中几次重大改进的 实质，并且发现了脉管的最佳长径比．在此晟佳长径比下．其制冷量最大。 2脉管制冷机简介 的美国Radebaughtz。∞在基本型脉管的基础上，增加了一个节流小iL和一个气库(参见图1)， 使脉管制冷机达到了80K以下的温区，被称为小孔型脉管制冷机。1990年，西安交通大 学吴沛宣教授领导的课题组提出了双向进气脉管制冷机的新方案【4】．可以在小孔型脉管制 冷机的基础上进一步降低其最低制冷温度，被称为双向进气型脉管制冷机。 1：压缩机；2：冷却器：3：回热嚣：4：冷螭换热器{5：球管 6：热端抉热器；7；小孔阀：8：气库；9：双向进气阔 图1 脉管制冷机的结构示意圈 3场协同理论在脉管制冷机中的应用 如图2所示，对于脉篁’玲塑亘型些塑下热平衡式“,一51 戛歪丽百■面蒙百瓦1暖i蓟研壳发展规划资助项目(No．G2000蛇6303)和国防科技重点实验室基金项目 No．00JS65．4．1JW0807) 161 a。=(H)一(H，) 疗)是脉管内的时均焓流，当脉管绝热时为一常量；疗，)是来自回热器的时均焓流(即 回热器的冷量损失)； o是脉管冷头的吸热量。对于理想气体及一定假定下可以证明，系 统在热端传走的热量就等于脉管内舶时均焓流，即磊=《疗)。可见，岛为脉管制冷机 的总制冷量：Q为脉管制冷机的净制冷量。进一步可以证明 图2用于焓流分析的系统图 (砷=暖匀扣础 其中，口为气体的流速，A为脉管的截面积，P为脉管内气体的压力。利用速度波、压力 波的关系，可得 (疗)芘piI甜Icos妒 上式说明，脉管制冷机的制冷量与脉管内的压力波和速度波的幅值以及它们之间的相位夹 角有关，并且随着压力波和速度波之间的相位夹角的减小，其制冷量增大．当口=0时， 即气流压力波和速度波同相时，制冷量最大；而当妒=州2时，焙流为0，制冷效果最 差。所以，减小脉管内气流压力波和流速波之间的相位差(即使速度波与压力波协同)是 提高脉管制冷机制冷能力的关键。 4三代脉管制冷机性能改进的场协同数值验证 下面采用数值计算的方法对小孔型和双向进气型的单级脉管制冷机进行整机模拟．揭 示脉管内的压力波和速度波的相位关系． 数值模拟的脉管制冷机的结构参数和运行参数如下：压缩机死容积2．334cm3；扫气容 频率17Hz。 图3给出了小孔型脉管制冷机的制冷量随小孔开度的变化关系．图4给出了压力波和 速度波的相位夹角随小孔开度的变化。从图中可以看出，随着小孔开度的增大，压力波与 162 速度波之间的相位夹角先减小后增大。当小孔开度处于最佳(0．46ram)时，制冷量最大， 恰巧此时，压力波与速度波之间的相位夹角也最小。从图中还同时看到，即使当小孔处于 最佳开度时，脉管的压力波和速度波之间仍都存在着一定的相位夹角。因此，小孔型脉管 制冷机