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(dòng)壓力波來實(shí)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(diǎn)。進(jìn)一步研究壓力振蕩管內(nèi)的波動(dòng)特性，強(qiáng)化氣波制冷機(jī)制冷性能，對(duì)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(shí)用價(jià)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(duì)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(shí)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(shí)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(shí)的制冷溫降。
　　當(dāng)氣體含濕時(shí)，氣體在振蕩管內(nèi)膨脹制冷

3、過程中會(huì)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(chǎng)耦合而相互作用，會(huì)對(duì)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(shí)，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(jì)。本文基于經(jīng)典成核理論，建立了非定常凝結(jié)流動(dòng)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(duì)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(duì)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(dòng)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(shí)驗(yàn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)了氣波機(jī)端口匹配設(shè)計(jì)的快速預(yù)測(cè)，奠定了過膨脹氣波制冷機(jī)端口

5、匹配設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。此外，對(duì)振蕩內(nèi)激波增壓特性隨通道與端口接通時(shí)間τ及膨脹壓比的關(guān)系進(jìn)行了數(shù)值分析。計(jì)算結(jié)果表明，振蕩管內(nèi)激波增壓特性隨通道接通時(shí)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(dòng)的臨界加熱量公式，實(shí)現(xiàn)了熱壅塞發(fā)生條件的理論預(yù)測(cè)。計(jì)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(dòng)速度，與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)觀察現(xiàn)象相吻合。
　　(4)基于建立的非定常凝結(jié)流動(dòng)數(shù)值模型，對(duì)振蕩管內(nèi)含濕氣體非定常膨脹流動(dòng)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(chǎng)耦合作用下，凝結(jié)加熱對(duì)振蕩管內(nèi)波動(dòng)過程影響的規(guī)律。凝結(jié)潛熱的釋放會(huì)引起振蕩管內(nèi)激波移動(dòng)速度的提高，計(jì)算表明氣體含濕量為0.44％時(shí)，激波移動(dòng)速度提高了5％，在進(jìn)行波轉(zhuǎn)子端口匹配設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮凝結(jié)對(duì)振蕩管內(nèi)波動(dòng)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(duì)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(duì)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(shí)，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(shí)，系統(tǒng)制冷效率達(dá)到最高。
　　(6)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在系統(tǒng)制冷壓比為1.1～1.5時(shí)，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(yàn)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(duì)過