振蕩管內(nèi)激波增壓特性強(qiáng)化氣波制冷性能研究.pdf

1、氣波制冷機(jī)是一種利用振蕩管內(nèi)運(yùn)動壓力波來實現(xiàn)冷熱分離的氣體膨脹制冷裝置，與透平膨脹機(jī)制冷相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速低、帶液能力強(qiáng)等優(yōu)點。進(jìn)一步研究壓力振蕩管內(nèi)的波動特性，強(qiáng)化氣波制冷機(jī)制冷性能，對于豐富和完善氣波機(jī)械理論，促進(jìn)氣波機(jī)械的工程推廣應(yīng)用具有理論意義和實用價值。
　　傳統(tǒng)氣波制冷機(jī)制冷過程中高壓氣膨脹產(chǎn)生的膨脹功作為熱量進(jìn)行了耗散，這相當(dāng)于是一種能量的浪費(fèi)。本文基于氣波增壓的思想，提出了一種新型帶有增壓過程的氣波制冷方

2、法，對這一膨脹功進(jìn)行回收，以強(qiáng)化小膨脹壓比條件下的氣波制冷性能。該方法利用氣體膨脹時形成的壓縮波壓縮自身膨脹后形成的低壓氣體，將氣體膨脹后所產(chǎn)生的膨脹功以壓力能的形式回收，使實際的膨脹壓比（即進(jìn)入系統(tǒng)高壓氣體的壓力與膨脹后低壓氣體壓力之比）要遠(yuǎn)大于系統(tǒng)制冷壓比（即進(jìn)入系統(tǒng)高壓氣體的壓力與離開系統(tǒng)的中壓氣體壓力之比），因此該方法又名為過膨脹氣波制冷方法，適用于提高小壓比制冷情形時的制冷溫降。
　　當(dāng)氣體含濕時，氣體在振蕩管內(nèi)膨脹制冷

3、過程中會出現(xiàn)凝結(jié)現(xiàn)象。凝結(jié)潛熱的釋放與振蕩管內(nèi)非定常流場耦合而相互作用，會對振蕩管內(nèi)制冷波圖帶來影響。特別是凝結(jié)釋放潛熱量達(dá)到熱壅塞條件時，在振蕩管內(nèi)可以產(chǎn)生較強(qiáng)的凝結(jié)激波，使氣波機(jī)端口匹配偏離理論設(shè)計。本文基于經(jīng)典成核理論，建立了非定常凝結(jié)流動數(shù)值模型，研究了激波管中非定常膨脹波引起的凝結(jié)現(xiàn)象，并對凝結(jié)潛熱釋放所引起的熱壅塞現(xiàn)象進(jìn)行了理論和數(shù)值分析。最后，研究了不同初始含濕量情形下，凝結(jié)對振蕩管內(nèi)制冷波圖的影響。
　　本文的主要

4、工作和結(jié)論如下:
　　(1)基于振蕩管內(nèi)壓力波波動特性與能量傳遞原理，確定了過膨脹氣波制冷的最優(yōu)工作波圖，并據(jù)此研制了一套過膨脹氣波制冷系統(tǒng)。在實驗壓比（壓比1.1～1.5）下，系統(tǒng)過膨脹度可達(dá)1.7，即約40％的壓力能得到了回收。
　　(2)將振蕩管內(nèi)復(fù)雜波系簡化為2道激波和3道膨脹波，基于一維非定常流動理論，建立了過膨脹氣波制冷機(jī)振蕩管內(nèi)各波系的定量匹配關(guān)系，實現(xiàn)了氣波機(jī)端口匹配設(shè)計的快速預(yù)測，奠定了過膨脹氣波制冷機(jī)端口

5、匹配設(shè)計的理論基礎(chǔ)。此外，對振蕩內(nèi)激波增壓特性隨通道與端口接通時間τ及膨脹壓比的關(guān)系進(jìn)行了數(shù)值分析。計算結(jié)果表明，振蕩管內(nèi)激波增壓特性隨通道接通時間τ的減小而增加，隨膨脹壓比的增大而減小。
　　(3)考慮凝結(jié)發(fā)生區(qū)域前后氣體質(zhì)量流量的改變，建立了非定常凝結(jié)加熱流動的臨界加熱量公式，實現(xiàn)了熱壅塞發(fā)生條件的理論預(yù)測。計算結(jié)果表明，在相同的來流馬赫數(shù)下，臨界加熱量隨加熱區(qū)前后氣體質(zhì)量流率變化的增加而增加;理論證明了凝結(jié)激波傳播速度要大于

6、凝結(jié)加熱區(qū)域移動速度，與文獻(xiàn)實驗觀察現(xiàn)象相吻合。
　　(4)基于建立的非定常凝結(jié)流動數(shù)值模型，對振蕩管內(nèi)含濕氣體非定常膨脹流動過程中的凝結(jié)現(xiàn)象進(jìn)行了研究，揭示了凝結(jié)潛熱釋放與非定常流場耦合作用下，凝結(jié)加熱對振蕩管內(nèi)波動過程影響的規(guī)律。凝結(jié)潛熱的釋放會引起振蕩管內(nèi)激波移動速度的提高，計算表明氣體含濕量為0.44％時，激波移動速度提高了5％，在進(jìn)行波轉(zhuǎn)子端口匹配設(shè)計時，應(yīng)考慮凝結(jié)對振蕩管內(nèi)波動過程的影響。
　　(5)在研究過膨脹

7、氣波制冷過程中能量傳遞與熱分離原理的基礎(chǔ)上，建立了過膨脹氣波制冷熱力分析模型。對過膨脹氣波制冷系統(tǒng)性能進(jìn)行了熱力分析，獲得了影響系統(tǒng)制冷效率的主要因素。分析結(jié)果表明，在制冷過程中引入增壓過程后，對高壓氣體的膨脹功予以回收，可大幅降低制冷系統(tǒng)的整體制冷壓力損失;過膨脹氣波制冷系統(tǒng)制冷效率隨制冷壓比的增加而降低，當(dāng)制冷壓比大于3.0時，系統(tǒng)制冷效率隨壓比變化過程趨于穩(wěn)定;相比壓縮增壓過程，系統(tǒng)中膨脹制冷過程效率的提高，更有利于提高系統(tǒng)制冷效

8、率;當(dāng)?shù)蜏貧怏w外循環(huán)流量比趨近于1時，系統(tǒng)制冷效率達(dá)到最高。
　　(6)設(shè)計加工了氣波制冷整機(jī)，按工業(yè)規(guī)格建立了過膨脹氣波制冷實驗平臺，研究了過膨脹氣波制冷系統(tǒng)在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)與操作參數(shù)條件下的制冷性能。實驗結(jié)果表明:在系統(tǒng)制冷壓比為1.1～1.5時，過膨脹氣波制冷系統(tǒng)溫降可達(dá)26℃～38℃，要明顯高于同壓比條件下傳統(tǒng)氣波制冷的溫降，驗證了過膨脹氣波制冷方法的有效性;掌握了制冷壓比、端口大小及其偏角、低溫氣體的外循環(huán)流量比等參數(shù)對過