静止式气波制冷机振荡与制冷特性的研究

论文摘要

气波制冷机作为一种有效利用气体压力能的设备而备受瞩目。静止式气波制冷机是利用带压气体本身的压力能,通过振荡器把带压气体转变成稳定的振荡射流交替射入接受管,利用激波和膨胀波的运动,实现冷热分离,从而达到降温制冷的目的。其突出的优点是无需额外的能量输入且机器没有运动部件。本文的研究对象是以音波振荡器和正反馈振荡器作为振荡源的双管式静止气波制冷机。本文的主要工作与结论包括以下几方面的内容:1.研究了超音速音波振荡器和正反馈振荡器中射流的流动过程和振荡机理。本文建立了音波振荡器和正反馈振荡器的二维模型,研究了超音速射流在振荡器中附壁、切换和振荡的过程。研究发现,射流在音波振荡器中近似以“方波”的形态持续振荡,而在正反馈振荡器中以“正弦波”的形态振荡。在射流附壁时,在分流劈之前的主射流区内部有膨胀波与压缩波交替反射传播。在振荡过程中,控制管中气体的压力和动量共同对射流的切换起作用。控制口的压差随着射流振荡的过程,呈现周期性的变化,压差作用于控制管内气体时间的长短决定了控制管内气体速度的大小。流体本身的特性,如粘性,也影响振荡的切换周期。本文分析了入口喷嘴、劈距、出口通道等不同的几何参数对振荡器内射流振荡和流动的影响。减小劈距可以减少因卷吸而倒流进入音波振荡器的气体的量,从而减少射流的能量损失,提高出口压力恢复;而减小出口通道的长度由于降低了射流的沿程损失,同样有助于提高出口压力恢复。位差、出口通道宽度、分流劈角度、分流劈形状等都对振荡器的振荡性能有不同的影响。2.研究了接受管中气体和波系的运动与传播过程。入射气体在接受管中只能运动相对较小的一段距离。气体接触面开始运动的速度较快,之后为减速过程直到最大距离处,持续一段时间后以较快的速度反向排出。研究了不同压比下波在接受管中的传播过程。激波经过后,气体的压力、密度和温度都会有明显的升高。波在长直接受管的封闭端有明显的反射现象。研究了不同结构和形状的激波吸收器。结果表明收缩—突扩结构的接受管可以较明显的消除反射波的影响。研究发现,接受管结构的改变,导致气体的压力特性和相位与普通长直管不同,可以利用收缩—突扩结构的接受管起到调相作用。正反馈振荡器作用的高频射流,振荡射流的平均压力呈现周期性变化。3.研究了气波制冷机的不同的操作参数和结构参数对制冷特性的影响。结果表明,提高气波制冷机的入口压力,可以增大出口气体的温降,入口温度的提高也会导致温降的增大。射流振荡频率与接受管长、入口压力等有匹配关系,最高温降对应于一个最佳射流频率。振荡器与接受管之间的排气间隙的大小影响气波制冷机的制冷特性,排气间隙的大小有一最佳值。高频情况下的正反馈振荡器作为振荡源,射流对接受管内气体的做功频率较高,相对于较低频率的音波振荡器,可以得到更高的温降。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 气波制冷机的应用实例
• 1.1.1 用于气体的脱水净化
• 1.1.2 用于天然气中液烃的回收
• 1.1.3 用于低温风洞
• 1.1.4 用于天然气脱水净化
• 1.1.5 用于轻烃回收
• 1.1.6 用于低温粉碎
• 1.2 气波制冷机的发展历史
• 1.3 气波制冷机的种类
• 1.3.1 单管静止式气波制冷机
• 1.3.2 双管静止式气波制冷机
• 1.3.3 多管静止式气波制冷机
• 1.3.4 旋转式气波制冷机
• 1.3.5 压力交换气波制冷机
• 1.3.6 脉管式气波制冷机
• 1.4 振荡器
• 1.4.1 双负载式振荡
• 1.4.2 单负载式振荡
• 1.4.3 正反馈式振荡
• 1.4.4 单反馈式振荡
• 1.4.5 音波振荡器
• 1.5 气波制冷机的理论研究
• 1.5.1 接受管内的热力学过程
• 1.5.2 接受管内流动波图
• 1.5.3 气体活塞理论
• 1.5.4 紊流机理
• 1.5.5 表面泵热原理
• 1.5.6 激波理论
• 1.5.7 焓流调相理论
• 1.6 气波制冷机的实验研究
• 1.6.1 转速的影响
• 1.6.2 转速、管长及压比的最佳匹配
• 1.6.3 压比的影响
• 1.6.4 管长的影响
• 1.6.5 管壁传热的影响
• 1.6.6 热效应
• 1.6.7 消波技术的研究
• 1.6.8 脉管制冷与气波制冷耦合的研究
• 1.7 气波制冷机的数值模拟研究
• 1.8 本文研究技术路线
• 2 静止式气波制冷机的物理模型和控制方程
• 2.1 物理模型
• 2.2 控制方程
• 2.3 湍流模型
• 2.4 激波问题的处理
• 2.4.1 接受管中激波的运动
• 2.4.2 激波前后的气体参数
• 2.5 网格划分和独立性分析
• 3 超音速振荡器的振荡机理与振荡形态
• 3.1 射流的附壁效应
• 3.2 振荡器
• 3.2.1 喷嘴宽度
• 3.2.2 分流劈角度
• 3.2.3 劈距
• 3.2.4 出口通道宽度
• 3.2.5 控制管宽度
• 3.3 超音速振荡器中射流的切换与振荡
• 3.3.1 射流切换过程
• 3.3.2 振荡器的振荡机理
• 3.3.3 振荡形式
• 3.3.4 振荡波形
• 3.4 控制管对射流的控制
• 3.4.1 控制管中的压力
• 3.4.2 控制管中的气体速度
• 3.5 超音速射流的附壁距离
• 3.6 超音速射流的射流区中波的传播特性
• 3.7 超音速射流振荡器中激波的产生
• 3.8 气体粘度对振荡周期的影响
• 3.9 振荡器的出口压力恢复
• 3.10 小结
• 4 超音速音波振荡器与正反馈振荡器性能的实验研究与结构优化
• 4.1 实验方案
• 4.1.1 实验设备
• 4.1.2 实验流程
• 4.2 射流压力与频率
• 4.2.1 不同劈距下的入射压力
• 4.2.2 音波振荡器频率的研究
• 4.3 结构参数的影响
• 4.3.1 喷嘴宽度的影响
• 4.3.2 出口通道的宽度
• 4.3.3 出口通道的长度
• 4.3.4 位差的影响
• 4.4 振荡器的压力恢复与结构优化
• 4.5 小结
• 5 接受管中气体运动和波系的分析
• 5.1 接受管中气体运动的模型
• 5.2 接受管内流动波图分析
• 5.3 气体和波在均匀接受管中的运动
• 5.3.1 波的传播过程
• 5.3.2 波的传播速度
• 5.3.3 接受管中接触面的运动
• 5.3.4 波前后气体的状态
• 5.4 波经过封闭端固壁的反射
• 5.4.1 反射波作用后的气体参数变化
• 5.4.2 出口气体的温降
• 5.5 波吸收装置与分析
• 5.5.1 波强度
• 5.5.2 入射过程
• 5.5.3 吸收过程
• 5.6 小结
• 6 接受管中压力传播的实验研究
• 6.1 实验方案与流程设计
• 6.2 气体操作参数变化对接受管中波形的影响
• 6.2.1 不同入口压力的影响
• 6.2.2 不同射流频率下接受管内的压力
• 6.3 结构参数对压力的影响
• 6.3.1 接受管的不同位置
• 6.3.2 不同结构的接受管
• 6.3.3 接受管的响应与调相
• 6.4 小结
• 7 双管式静止气波制冷机制冷特性的实验研究
• 7.1 实验装置
• 7.2 实验参数简介
• 7.2.1 操作参数
• 7.2.2 结构参数
• 7.3 入口压力与入口温度对制冷特性的影响
• 7.3.1 入口压力
• 7.3.2 入口温度
• 7.4 振荡频率对制冷特性的影响
• 7.5 排气间隙对制冷特性的影响
• 7.6 小结
• 8 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 附录A 符号说明
• 附录B 激波运动参数的推导
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢