射流振荡制冷机性能与机理研究

论文摘要

在天然气深冷加工工艺中,迫切需要能在高压下操作且高效的气体膨胀制冷设备。射流振荡制冷机是一种新型气体膨胀制冷机,其工作原理为:利用自激励射流振荡器生成的振荡射流来形成对一端封闭的振荡管的周期性入射,入射气因其能量通过载能气波的运动传递至振荡管内原有气体并经振荡管壁向环境散发损失而“冷却”。射流振荡制冷机无任何转动部件、只需简单静密封,因此特别适合用于高压天然气的加工处理。目前,射流振荡制冷机的研究还很不成熟,其性能参数(主要为等熵效率)离天然气工业生产的要求尚有一定的差距。本文结合国家863高技术项目“天然气压力能综合利用新技术研究”(No.2006AA052216)主要从实验和气体动力学数值分析两方面对射流振荡制冷机的性能与内部机理开展研究。(1)自激励射流振荡器是射流振荡制冷机的关键部件,它是在射流的附壁效应(也称Coanda效应)的基础上开发出来的,附壁射流的特性如偏转程度、附壁距离等是射流振荡器设计的基础性数据。射流振荡制冷机多工作在跨音速状态下,本文首先对跨音速附壁射流的特性作了数值模拟研究,分析了跨音速附壁射流的流动特征,考察了结构参数和操作参数对跨音速附壁射流的几何特性和压力分布特性的影响。结果显示,附壁射流的偏转程度和附壁距离取决于射流自身参数与压力分布,而压力分布又受元件几何尺寸和操作条件的影响,总结了附壁射流几何特性和压力分布特性受元件结构参数和操作参数影响的规律。(2)射流振荡器的稳定振荡是射流振荡制冷机工作的前提条件,其振荡频率的调制和总压损失的控制是改善制冷机性能的重要途径。本文将音波振荡器用于射流振荡制冷机,对跨音速音波振荡器的可振性、振荡频率和总压损失以及它们的影响因素作了实验和数值模拟研究。1)研究了喷嘴宽度、位差、分流劈距、控制管长度和宽度、分流劈形状、压比、压力值及介质物性对射流可振性和振荡频率的影响,得出了影响规律。通过流场分析,对音波振荡器振荡及其受各因素影响的机理均作了解释。2)对音波振荡器的总压损失作了数值分析,结果显示:在射流的下游,由于湍流耗散,总压将快速衰减;在低压比下(ε＜2.5),总压损失主要由湍流耗散引起;在高压比下(ε＞2.5),总压损失还来源于射流内部的波动,激波会引起总压的突降。此外,还考察了位差、分流劈距等结构参数对总压损失的影响。(3)对音波振荡器与振荡管结合部位的结构与尺寸对双振荡管射流振荡制冷机内流动参数的影响作了数值模拟研究,包括排气口宽度的影响、排气口结构的影响和位差的影响,结果表明,三者均较显著。随排气口增宽,射流对振荡管射气阶段射进振荡管的能量流量减小,排气口过窄时,排气不顺畅,导致机内的压力高,形成气波的强度弱,振荡管内气温低;而排气口过宽时,对振荡管射气时质量和能量均几乎全部从排气口处直接排出,两种情况均对制冷不利。计算了三种型式排气口结构的制冷机内的流动,发现排气口通道内的旋涡会阻碍射气时介质直接从排气口处排出,这对制冷有利。随位差的减小,射流稳定附壁阶段,其在单侧射流输出管内振荡的幅度减小,振荡管口的能量流量随时间的变化变得均匀。(4)对音波振荡器驱动的双振荡管射流振荡制冷机的性能作了实验研究。以等熵效率作为制冷机性能的评价指标,对等熵效率及制冷机内部压力和振荡管壁温度作了测试。1)基于对音波振荡器总压损失研究的结果,通过缩短音波振荡器的射流输出通道的方法来减小射流在振荡管上游的总压损失,提出了一种新型结构的射流振荡制冷机,实验得到,在相同操作条件下,新结构机器的等熵效率提高了10%以上。2)研究了控制管长度、排气口宽度和结构、分流劈结构尺寸和位差对制冷机性能的影响,得到:等熵效率随控制管的增长呈波动起伏式变化;存在最佳排气口宽度,且最佳排气口宽度受压比的影响;位差减小,等熵效率有所提高;分流劈结构尺寸及排气口结构对等熵效率均有较大影响。结合实验测得的压力、温度数据以及机内流场的数值模拟结果,对各因素影响制冷机性能的机理作了解释。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题的背景和意义
• 1.2 气波制冷机发展历史、研究进展及工业应用
• 1.2.1 气波制冷机工作原理和制冷机理及结构型式
• 1.2.2 气波制冷机发展历史
• 1.2.3 气波制冷机等熵效率的影响因素
• 1.2.4 气波制冷机内的流动
• 1.2.5 气波制冷机的工业应用
• 1.2.6 射流振荡制冷机的研究概况
• 1.2.7 小结
• 1.3 射流相关理论概述及射流的附壁和自激励振荡研究概况
• 1.3.1 射流的形成和分类
• 1.3.2 射流的内属性
• 1.3.3 射流的卷吸效应
• 1.3.4 射流的附壁与切换
• 1.3.5 附壁射流的研究概况
• 1.3.6 射流控制技术及元件
• 1.3.7 射流的振荡形式和元件
• 1.3.8 音波振荡器的研究进展
• 1.3.9 小结
• 1.4 激波的数值处理方法概述
• 1.4.1 激波的生成和动力学特征
• 1.4.2 激波的数值处理方法
• 1.5 湍流的模拟
• 1.6 本论文的研究内容和技术路线
• 2 跨音速附壁射流的特性研究
• 2.1 引言
• 2.2 几何模型
• 2.3 数学模型
• 2.4 数值方法
• 2.5 跨音速附壁射流的流动特性
• 2.5.2 跨音速附壁射流的流动特征
• 2.5.3 跨音速附壁射流的几何特性
• 2.5.4 跨音速附壁射流的压力分布特性
• 2.6 操作参数对附壁射流特性的影响
• 2.6.1 操作参数对几何特性的影响
• 2.6.2 操作参数对压力特性的影响
• 2.7 元件几何尺寸对跨音速附壁射流特性的影响
• 2.7.1 喷嘴宽度的影响
• 2.7.2 位差的影响
• 2.7.3 侧壁长度的影响
• 2.7.4 侧壁倾角的影响
• 2.7.5 侧壁开口接管
• 2.8 介质物性的影响
• 2.8.1 介质分子粘性的影响
• 2.8.2 不同的工作介质
• 2.9 小结
• 3 跨音速音波振荡器的振荡特性、机理及总压损失
• 3.1 引言
• 3.2 音波振荡器的特征几何尺寸及操作参数
• 3.3 实验
• 3.4 数值模拟
• 3.4.1 几何模型
• 3.4.2 数学模型和数值方法
• 3.5 音波振荡器的振荡特性
• 3.5.1 结果汇总
• 3.5.2 射流的振荡频率
• 3.5.3 射流的可振性
• 3.6 音波振荡器的振荡机理
• 3.6.1 射流振荡过程的解析分析
• 3.6.2 振荡过程中流动参数的分析
• 3.6.3 射流振荡机理的归纳
• 3.6.4 音波振荡器稳定振荡的条件分析
• 3.7 结构尺寸影响振荡特性的机理
• 3.7.1 喷嘴宽度和位差的影响
• 3.7.2 控制管宽度和长度的影响
• 3.7.3 分流劈结构和尺寸的影响
• 3.8 操作条件影响振荡特性的机理
• 3.8.1 压比的影响
• 3.8.2 压力值的影响
• 3.9 音波振荡器的总压损失及几何尺寸对它的影响
• 3.9.1 总压损失的来源
• 3.9.2 中压比下几何尺寸对总压损失的影响
• 3.10 小结
• 4 音波振荡器与振荡管结合部位的结构与尺寸对双振荡管射流振荡制冷机内流动参数的影响
• 4.1 引言
• 4.2 几何模型
• 4.3 数学模型和数值方法
• 4.4 射流振荡制冷机内流动特征
• 4.5 排气口宽度的影响
• 4.6 排气口结构的影响
• 4.7 位差的影响
• 4.8 小结
• 5 双振荡管射流振荡制冷机性能实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验目的和内容
• 5.3 实验装置和仪器
• 5.4 两种结构型式的双振荡管射流振荡制冷机
• 5.5 构型Ⅰ的实验结果
• 5.6 构型Ⅱ的实验结果
• 5.6.1 控制管长度的影响
• 5.6.2 排气口宽度的影响
• 5.6.3 排气口结构的影响
• 5.6.4 分流劈结构和尺寸的影响
• 5.6.5 位差的影响
• 5.7 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 创新点摘要
• 参考文献
• 附录A 符号说明
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢