壓力振蕩管流動和熱效應的研究.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。波動過程涉及復雜波系的運動，并伴隨能量的傳遞，振蕩管壁上顯示出相應的冷熱效應。研究壓力振蕩管問題的關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的研究，對于豐富氣波機械理論和完善工業(yè)應用技術具有理論意義和實用價值。
　　 目前，壓力振蕩管流動和熱效應的研究已受到眾多研究者的關注，以壓力振蕩管為核心部件的設備已在氣體膨脹制冷和壓力交換領域得以有效利用。這類設備具

2、有結構簡單、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)和適應氣液兩相流等優(yōu)點。但也存在管內(nèi)帶液、設備龐大和振動劇烈等問題，相關研究缺少對管內(nèi)流動和熱效應的系統(tǒng)深入的理論和實驗研究。
　　 本論文采用數(shù)值模擬和實驗測試方法對壓力振蕩管的流動及其引起的熱效應開展了研究，主要工作和結論如下：
　　 ①為了對壓力振蕩管中含有激波、膨脹波等波系的復雜流動過程進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)化的關系，為壓力振蕩管性能研究建立了數(shù)值模擬基礎。
　　 ②通過實驗并結合數(shù)值模擬，對一端封閉壓力振蕩管流動及熱效應進行了研究。建立了一端封閉壓力振蕩管實驗平臺，進行了多種規(guī)格和操作條件下的壓力振蕩管流動和性能實驗。實測了管內(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連通振蕩管結構。研究表明，突擴結構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，突擴結構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備。實驗表明：采用封閉端突擴連通的壓力振蕩管的等熵制冷效

5、率可提高15％，文中分析了突擴連通的壓力振蕩管的流動特點。
　　 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合，提出了無運轉(zhuǎn)部件的射流振蕩型氣波制冷機。結果表明：欠膨脹附壁射流在較低的壓比下流動就達到“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)入射波的強度逐漸增強，射流振蕩型

6、氣波制冷機內(nèi)部各類損失占總能量的比例逐漸減小，機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進行了研究。建立了兩端開口壓力振蕩管實驗裝置，進行了各種操作參數(shù)和結構參數(shù)對兩端開口壓力振蕩管性能影響的實驗。對兩端開口壓力振蕩管進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

7、行規(guī)律，并根據(jù)管內(nèi)波系的運動規(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構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動過程中產(chǎn)生的入射損失進行了實驗和模擬研究，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