壓力振蕩管流動和熱效應(yīng)的研究.pdf

1、壓力振蕩管內(nèi)氣體的流動是在周期性激勵引起的管內(nèi)氣體的波動過程。波動過程涉及復(fù)雜波系的運(yùn)動，并伴隨能量的傳遞，振蕩管壁上顯示出相應(yīng)的冷熱效應(yīng)。研究壓力振蕩管問題的關(guān)鍵是激勵條件下波動流場的特性。壓力振蕩管流動及熱效應(yīng)的研究，對于豐富氣波機(jī)械理論和完善工業(yè)應(yīng)用技術(shù)具有理論意義和實(shí)用價(jià)值。
　　 目前，壓力振蕩管流動和熱效應(yīng)的研究已受到眾多研究者的關(guān)注，以壓力振蕩管為核心部件的設(shè)備已在氣體膨脹制冷和壓力交換領(lǐng)域得以有效利用。這類設(shè)備具

2、有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)和適應(yīng)氣液兩相流等優(yōu)點(diǎn)。但也存在管內(nèi)帶液、設(shè)備龐大和振動劇烈等問題，相關(guān)研究缺少對管內(nèi)流動和熱效應(yīng)的系統(tǒng)深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究。
　　 本論文采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測試方法對壓力振蕩管的流動及其引起的熱效應(yīng)開展了研究，主要工作和結(jié)論如下：
　　 ①為了對壓力振蕩管中含有激波、膨脹波等波系的復(fù)雜流動過程進(jìn)行多管和多周期模擬，本文建立了壓力振蕩管的數(shù)值模型，采用了滑移網(wǎng)格技術(shù)處理轉(zhuǎn)動與靜止部件之間的滑動。數(shù)值分

3、析定量描述了振蕩管內(nèi)激波、膨脹波和分界面的不定常流動行為，確定由波動引起的管內(nèi)能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系，為壓力振蕩管性能研究建立了數(shù)值模擬基礎(chǔ)。
　　 ②通過實(shí)驗(yàn)并結(jié)合數(shù)值模擬，對一端封閉壓力振蕩管流動及熱效應(yīng)進(jìn)行了研究。建立了一端封閉壓力振蕩管實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行了多種規(guī)格和操作條件下的壓力振蕩管流動和性能實(shí)驗(yàn)。實(shí)測了管內(nèi)波動瞬態(tài)壓力、振蕩管壁溫等參數(shù)，分析了膨脹比、壓力水平和頻率等對一端封閉壓力振蕩管制冷性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：振蕩管壁溫沿管

4、長迅速升高然后逐漸降低，管長、射流頻率和膨脹比等參數(shù)均能影響管內(nèi)流場和振蕩管壁溫的分布，運(yùn)動的激波是影響壁溫分布的主要因素。
　　 本文提出了一種突擴(kuò)連通振蕩管結(jié)構(gòu)。研究表明，突擴(kuò)結(jié)構(gòu)能夠有效地減輕反射激波對振蕩管制冷性能的不利影響；在連通多振蕩管后，突擴(kuò)結(jié)構(gòu)也能夠減弱波系在不同振蕩管之間的傳播。為提高振蕩管利用率并考慮振蕩管集中排液和散熱的需要，連通各振蕩管后加入一換熱設(shè)備。實(shí)驗(yàn)表明：采用封閉端突擴(kuò)連通的壓力振蕩管的等熵制冷效

5、率可提高15％，文中分析了突擴(kuò)連通的壓力振蕩管的流動特點(diǎn)。
　　 ③研究了音波型振蕩器內(nèi)流動和振蕩特性，將其與壓力振蕩管結(jié)合，提出了無運(yùn)轉(zhuǎn)部件的射流振蕩型氣波制冷機(jī)。結(jié)果表明：欠膨脹附壁射流在較低的壓比下流動就達(dá)到“壅塞”狀態(tài)，入口壓力對射流附壁的影響較小，增大膨脹比、位差、噴嘴寬度等參數(shù)均不利于射流附壁，設(shè)置分流劈有利于射流附壁。音波型振蕩器的射流頻率由控制管長度決定。隨著膨脹比的升高，振蕩管內(nèi)入射波的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，射流振蕩型

6、氣波制冷機(jī)內(nèi)部各類損失占總能量的比例逐漸減小，機(jī)器等熵制冷效率逐漸增大，該變化趨勢基本不受控制管長度的影響。射流振蕩型氣波制冷機(jī)無任何轉(zhuǎn)動部件，只需簡單靜密封，因此特別適用于高壓氣體的低溫處理。
　　 ④對兩端開口壓力振蕩管流動及熱效應(yīng)進(jìn)行了研究。建立了兩端開口壓力振蕩管實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行了各種操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對兩端開口壓力振蕩管性能影響的實(shí)驗(yàn)。對兩端開口壓力振蕩管進(jìn)行了多管和多周期的數(shù)值模擬，定量描述了激波和接觸面在振蕩管內(nèi)的運(yùn)

7、行規(guī)律，并根據(jù)管內(nèi)波系的運(yùn)動規(guī)律繪制了兩端開口振蕩管的理想波圖。研究發(fā)現(xiàn)：在振蕩管高溫排氣端口將產(chǎn)生一道反向壓縮波，降低了振蕩管的制冷性能。研究得出降低高溫排氣端口壓力和采用兩級排氣腔結(jié)構(gòu)可以有效地降低反向壓縮波的影響。對振蕩管與高壓噴嘴的漸開和漸閉運(yùn)動過程中產(chǎn)生的入射損失進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和模擬研究，得出增大高壓入口噴嘴寬度或調(diào)整高壓入口噴嘴的射流角度均可以降低振蕩管的入射損失。分析了射入與排出端口與振蕩管之間間隙引起的泄漏損失，得出高壓入口