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中国工程热物理学会 T程热夕J学与能源利用 第一卜～届学术会议 编号：051157 脉管制冷机的全三维数值模拟计算(上) 丁文静何雅玲串 陶文铨 西安交通火学能源与动力工程学院．动力工程多相流国家重点实验室，西安，710049 摘要：建j证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暴础一I：，开发．：r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。本文．L篇详细讨论了 脉管制冷机的三维计算模型和数值方法，并与一维计算结果进行了对照，考查了兰维程序。本文下篇 将详细地给出基本型脉管制冷机全兰维数值计算结果。 关键词：脉管制冷机，全三维，数学模型，数值方法 1前言 低温制冷技术在高技术中有着广泛的应用。高技术领域对低温制冷机的可靠性和寿 命有特别严格的要求。脉管制冷机无常规回热式制冷机的低温运动部件，从根本上解决 了冷腔振动、磨损等问题，可望实现长寿命运行，在高技术中有着巨大的应用潜力，目 前已成为最具有发展前途的小型低温制冷机之一【l】o 数值模拟是研究脉管制冷机有效的理论方法之一，目前文献上报道的人都是建立在 脉管制冷机一维数值模拟基础上的理论分析【Ⅻ】。实际上，脉管制冷机内j[质的流动过 程是交变流动过程，热力、传热、流动相互耦合，制冷机理比较复杂，应被表征为二维 甚至三维的数理模型。例如，如其内部存在的DC流、二次流等现象，就无法用一维数 学模型进行解释。为了更深入研究脉管制冷机的制冷机理，进一步提高整机制冷性能， 为脉管制冷机计算机辅助设计及优化设计奠定良好的基础，更好地实现脉管制冷机的微 型化、实用化，建立脉管制冷机的多维模型是十分必要的。据悉，目前作为美国NASA 空间低温技术基础研究和开发中心之一的Ames研究中心，已建立了简化的脉管制冷机 二维物理模型，其计算结果与实验结果较为吻合【5】，但其研究方法和理论从未公开。日 本、韩国、德国、法国、荷兰等发达国家M】也将脉管制冷机的深化研究列为关键基础 技术，投入了大量的财力、人力。而在我国，脉管制冷机理论模型还停留在一维阶段， 理论和实验间的误差仍较大。 本文首先在可压缩程序的基础上，开发了适用于脉管制冷机全三维数值计算的可乐 缩交变流动数值计算程序。然后通过计算分析了简化脉管制冷机内的速度、温度及其他 各主要参数的变化，分析了一维计算无法揭示的二次流现象，并通过脉管内温度滞后现 象的讨论揭示了脉管制冷机的制冷机理。 2物理模型 基本型脉管制冷机的结构如图l所示，主要由压缩机、同热器、冷端换热器、脉管 和热端换热器所组成。 ‘ 资助项目(No．G2000026303)。木通讯作者。 678 冷端换热器 热端换热器 压缩机 嘲热器 图1基本型脉管制冷机简图 脉管制冷机内的流动是复杂的可压缩交变流动，流动过程和制冷机理都比较复杂， 直接模拟实际jr：况下的脉管制冷机系统非常困难，所以本文计算模型做如下简化处理。 (1)脉管制冷机多维数值模拟计算的目的是清楚地了解脉管内任一时刻、任一位置的流 动和传热情况，以便提出改进意见，所以在本文的计算模型中对回热器进行了理想 化处理，效率为100％。这样并不影响对脉管制冷机基本jr：作过程的模拟计算，义 大大简化了计算过程。 (2)’计算区域的进口赋予标准的正弦压力波作为压力的边界条件，如式(1)所示。 只。=见。+觑sin(oz-+≯) (1) 式中，、阢、，是不随时间变化的平均压力，阢是动态压力的幅值。 (3)进口压力的变化能迅速影响全场，即压力在脉管内的传播不需要时间，原因如下： 为零马赫数可压缩交交流动。脉管内的这种零马赫数可压缩交变流动，其可压缩性不是 由于速度过大而引起的，