高频脉冲管制冷机的数值模拟.pdfVIP

中国工程热物理学会 工程热力学与能源利用 第十一届年会 编号：051116 高频脉冲管制冷机的数值模拟 2 侯小锋“2，梁惊涛1，杨鲁伟1，蔡京辉1，赵密广h (。中国科学院理化技术研究所，北京100080) (2中国科学院研究生院，北京100039) 联系电话：010—mail：jliang@c1．cryo．ac．cil 摘要：本文利用Fluent软件汁算了惯性管型高频脉冲管制冷机，模拟了回热器和脉冲管内部的气体 流动情况，定性分析丁频率和j卜均压力对制冷机制冷系数影响，并比较了理论制冷系数的数值结果与 理论解的差异。 关键词：·荔频脉冲管制冷机数值模拟吲热器 1．÷导言 回热器为脉冲管制冷机的关键部件，对于回热器内部物理机制的理解，是深入研究 脉冲管制冷机的一个重要方面。在以前对回热器的理论研究中，主要侧重于低频脉冲管 制冷机的回热器的理论研究，而对于高频脉冲管制冷机的回热器的理论研究较少。de 的回热器进行了系统的研究。在试验方面，各国的研究者主要侧重于高频交变流动的阻 力特性研究，对于高频交变流动的换热特性试验研究较少。这是因为目前还缺乏非常精 确的传感器以测量回热器微观结构内气体的瞬时温度和瞬时速度。因此运用计算机模拟 这一辅助手段模拟回热器的内部流动以及传热情况，有助于从微观角度去了解回热器的 数值计算。这些软件或者计算方法的共同特点都是一维计算，只能反映回热器的整体情 况，忽略了微观结构对回热器性能的影响。Fluent软件作为一个很好的计算平台，引入 到回热器的模拟中来。对同热器可以采用三维多孔介质模型，能够很清晰的模拟回热器 内部的流动以及传热情况。目前不管是一维计算还是三维计算都缺乏可靠的试验数据做 依据，与实际的传热以及流动状况还有不小的差异。因此，研究回热器内部的结构对流 动特性和换热特性的影响以及流动和换热特性的耦合，结合试验，完善计算模型是比较 有趣而且充满挑战的课题。 本文通过Fluent软件对高频脉冲管制冷机进行了数值模拟，得出了频率、平均压 力与回热器进出口参数、制冷机理论制冷系数之间的关系，为进一步优化高频脉冲管制 冷机的设计、进行同热器的流动和换热试验研究提供有益的帮助。深入研究交变流动情 况卜同热器微结构对流动以及换热的影响，能够使我们进一步深入理解同热器的物理机 理，提高脉冲管制冷机的效率。 2．计算模型 运川Fluent软什，模拟了惯性管型高频脉冲管制冷机，其中，模型对同热器、热 端换热器和冷端换热器采用多孔介质模型，粘性项采用K—s湍流模型来求解‘I二维={|定 常粘性j¨1J／J柱-．12t。假设同热器内部的丝网材料为各向同性材料。 617 2．1计算参数 2 3 4 l热端换热器2．回热器，3．冷端换热器，4．脉冲管，5．热端换热器，6．惯性管，7．气库 图1计算模型示意图 图1为计算模型的示意图，各部件名称见图，计算中各部件的尺寸如下表所示。 表1模型的各部件尺寸 部件‘ 1 2 3 4 5 6 7 25 25 25 12 12 2 200 直径(mm) 11 70 20 60 10 2000 90 长度(mm) 2．2边界条件 计算模型包括除去压缩机以外的所有部件。整个系统为一端开口系统。图l中热端 换热器左端面为整个系统的压力输入边界，其余表面都为固壁条件。热端换热器的气体 压力的角速度。进口气体的温度为300丘回热器进口端的热端换热器的固壁表面为等温 边界条件：