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基本型脉管制冷机的全三维数值模拟计算 第27卷第5期 2006年9月 工程热物理 JoURNALOFENGINEERINGTHERMOPHYSICS Vo1.27.NO.5 Sep.,2006 基本型脉管制冷机的全三维数值模拟计算 丁文静何雅玲陶文铨 (动力工程多相流国家重点实验室,西安交通大学能源与动力工程学院,陕西西安710049) 摘要建立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基础上,开发了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.考察了截面平均参数在一个周期内随时间的变化情况,详 细分析了脉管内的流场和温度场以及其他各主要参数的变化,对脉管制冷机的工作过程和制冷机理有了进一步的了解和 认识,为脉管制冷机的结构改进和实用化奠定了一定的基础. 关键词脉管制冷机;三维;流场;温度场 中图分类号:TK123文献标识码:A文章编号:0253—231X(2006)05-0737-04 THREEDIMENS10NALNUMERICALSIMUL10N0FTHE BASICPULSETUBEREFRIGERAT0R DINGWen-JingHEYa-LingTAOWen-Quan fStateKeyLabofMultipbaseFlowinPowerEngineering,SchoolofEnergyamp;PowerEngineering,XianJiaotongUniversity, Xian710049,China) AbstractThree—dimensionalphysicalandnumericalmodelofthepulsetubeandheatexchangersin thebasicpulsetuberefrigerator(PTR)wassetupinthispaper.Thecompressibleandoscillatingfluid flowandheattransferphenomenoninthepulsetubeWasnumericallyinvestigatedusingaself-developed code.Somecross—sectionaverageparametersvariationssuchasvelocity,temperatureandpressure wavesetcduringonecyclewererevealed.Thevariationsofvelocityandtemperaturedistributionsin thepulsetubewerealsoanalyzedindetailforthefurtherunderstandingoftheworkingprocessand refrigerationmechanismofPTR. Keywordsbasicpulsetuberefrigerator;threedimensional;flowfield;temperaturefield 1引言 脉管制冷机由于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,目前已成为最具有发展前途的 小型低温制冷机之一【. 数值模拟是研究脉管制冷机的有效理论分析方 法之一,目前文献上报道的大都是建立在一维数值 模拟基础上的理论分析[2~引.实际上,脉管制冷机 内工质的流动过程是交变流动过程,热力,传热,流 动相互耦合,制冷机理复杂,应被表征为二维甚至 三维的数理模型更为合理.例如,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,建立脉管制冷机的多维模型是 十分必要的.目前美国NASA的Ames研究中心,已 经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[,但是其研究的方法和 理论从未公开.日本,韩国,德国,法国,荷兰等发 达国家[~7】也将脉管制冷机的研究列为关键基础技 术.在我国,脉管制冷机理论模型还停留在一维阶 段,理论和试验之间的误差仍较大. 本文首先在可压缩程序的基础上,开发了适用 于脉管制冷机的全三维可压缩交变流动数值计算程 序,然后通过计算分析了脉管制冷机内的速度,温 度及其他各主要参数的变化,分析了一维模型无法 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 基本型脉管制冷机主要由压缩机,回热器,冷 收稿日期:2006--01.25;修订日期:2006—07-16 基金项目:国家杰出青年科学基金资助项目(No 作者简介:丁文静(1978一),男,山东荷泽人,博士研究生,主要从事计算传热学,低温制冷