外循环耗散型气波制冷机转子结构优化研究

论文摘要

外循环耗散型气波制冷机是以波转子为核心部件的新型气波制冷设备,与传统的静止式和旋转式气波制冷机相比,具有结构紧凑,抗波动性强,可带液运行等优点,具有广泛的应用前景。波转子内含有的两端开口通道是完成气体膨胀制冷和能量传输的关键场所。本文运用气体动力学非定常流动理论分析了制冷机转子通道内复杂的流动行为,通过数值模拟和实验研究相结合的方法,对波转子转子通道结构尺寸改变对制冷性能的影响进行了深入的研究,研究主要结论如下：(1)对制冷机转子通道内工作过程进行分析,将整个制冷过程分为高压压缩、高温排气、低压回气和低温排气四个阶段,针对每个阶段通道内部具体的波系运动行为进行分析,揭示了双开口振荡管实现冷热分离的原理和规律。提出制冷机理想工作波图,并以此为基础提出制冷机结构参数匹配关系。(2)将制冷机内部工作过程分为驱动气体的膨胀过程和内部循环气体的压缩过程,建立了完整的热力分析模型。对影响制冷机性能的宏观参数例如膨胀比、压缩比、循环气流率比进行过程模拟研究,针对不同参数匹配对制冷性能进行预测。结果表明：外循环耗散型气波制冷机增压作用有限,提高操作膨胀比后,波过程的非等熵性增加,尽管提高了热分离温差,但并不会实现制冷效率的提高。(3)首次采用三维单通道模型模拟波转子通道内复杂流动行为,分析入射阶段发生的接触面扭曲和掺混的原因。模拟发现,在入射喷嘴高度和转子通道高度固定情况下,增大高压喷嘴宽度与增大通道高度与宽度比值均可以显著降低入射效率损失。(4)省略外循环耗散结构,简化整机模型,研究制冷过程增压侧操作参数对制冷性能的影响,发现在膨胀侧结构、操作参数固定情况下,增压侧压比、以及操作压力对制冷性能影响较大。(5)在小通道宽度波转子制冷机上实验研究发现,制冷效率约下降了8%,说明波转子通道宽度缩小会严重影响制冷性能。本文研究结果和结论对气波制冷技术的应用有借鉴价值,对外循环耗散型气波制冷机的后续研究和结构改进都有指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 气体膨胀制冷方法介绍
• 1.1.1 透平膨胀机制冷
• 1.1.2 节流制冷
• 1.1.3 气波膨胀制冷
• 1.1.4 制冷效率计算
• 1.2 气波制冷机的发展概况
• 1.2.1 气波制冷机发展历史
• 1.2.2 气波制冷机械的分类
• 1.2.3 外循环耗散型气波制冷机
• 1.3 外循环耗散型气波制冷机的数值模拟研究
• 1.4 外循环耗散型气波制冷机的实验研究
• 1.5 课题背景及工作重点
• 1.5.1 课题背景
• 1.5.2 工作重点
• 2 外循环耗散型气波制冷机结构原理和内部流动分析
• 2.1 设备结构和工作原理
• 2.1.1 设备结构简述
• 2.1.2 设备内部工作过程
• 2.2 波转子通道内部流动分析
• 2.2.1 波转子通道内激波形成过程
• 2.2.2 波转子通道内激波的运行速度
• 2.2.3 简单激波管模型
• 2.2.4 激波运动分析
• 2.2.5 膨胀波及膨胀波运动分析
• 2.2.6 接触面的运动分析
• 2.2.7 四端口逆流波转子波过程分析
• 2.2.8 喷嘴内变截面流动分析
• 2.3 结构参数与理想波图的匹配
• 2.4 本章小结
• 3 外循环耗散型气波制冷机热力过程分析
• 3.1 制冷原理
• 3.1.1 制冷过程宏观热力学分析
• 3.1.2 制冷过程微观热力学分析
• 3.2 制冷系统热力过程模拟
• 3.2.1 过程模拟系统流程
• 3.2.2 过程模拟结论与分析
• 3.3 本章小结
• 4 基于数值模拟的波转子结构优化研究
• 4.1 影响制冷机等熵效率的因素
• 4.2 高压入射过程入射损失研究
• 4.2.1 模型简化与研究方法
• 4.2.2 模拟结果与分析
• 4.3 单通道三维模拟
• 4.4 基于整机数值模拟的端口压力匹配问题研究
• 4.4.1 整机模型简化
• 4.4.2 模拟结果与分析
• 4.5 本章小结
• 5 基于转子通道结构优化的实验研究
• 5.1 实验系统的建立
• 5.1.1 实验系统简介
• 5.1.2 实验流程介绍
• 5.1.3 实验数据采集系统及其它
• 5.2 波转子结构优化实验
• 5.2.1 转速对实验机制冷性能的影响
• 5.2.2 操作膨胀比对实验机制冷性能的影响
• 5.2.3 高温排气压力对实验机制冷性能的影响
• 5.2.4 回气端口温度对制冷机制冷性能的影响
• 5.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录A 符号说明
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢