基于CFD仿真的脉管制冷机热端换热器内交变流动换热分析与实验验证

发布时间：2020-04-18 00:20

【摘要】：近年来空间科学领域蓬勃发展,对空间探测器的性能要求日益提高,而空间探测器的低温环境对其性能优劣有重要的影响,这就对广泛应用于空间制冷场景的脉管制冷机的性能和效率有了更高要求。换热器作为脉冲管制冷机的关键部件之一,其性能的好坏直接影响制冷机的制冷性能,因而研究换热器内流体的流动和换热,对设计和优化脉管制冷机有重要作用。本研究将计算流体力学的数值模拟与热线风速仪的实验测量相结合,通过建立换热器内部流体的三维模型获得其内部流场的详细信息,用以研究换热器结构对换热器性能的影响规律。本文对脉管制冷机脉冲管热端换热器内部流体开展如下几个方面的研究:首先,阐述数值模拟的理论基础及其优势,通过分析探究仿真对于研究两种换热器内部流动情况的差异的可行性及换热器性能评价标准,给出了CFD数值模拟的理论基础及实现途径。其次,搭建了应用Streamline Pro热线风速仪测量换热器内部速度分布的实验系统,在一台6W@90K的可拆卸脉管制冷机上开展了脉冲管热端换热器内部流动的实验研究。然后,针对两种不同结构的换热器,在相同工况下两个相同空间坐标点的速度时序曲线进行数值模拟与实验测量,对比了两种换热器的速度分布情况,对比分析了两种换热器的两个特定点位置的速度时序曲线在数值模拟与实验测量中的差异,并对此差异产生的可能原因进行了分析;仿真模拟结果和实验结果均验证了狭缝式换热器相比较于孔板式换热器拥有更好的换热能力和使流体的速度分布更为均匀的优势,同时用实验证实了仿真模拟结果的准确性及仿真方法的正确性,为换热器的设计和优化提供仿真分析及实验验证方法,具有重要的参考价值。最后,对未来工作进行展望,随着仿真模型的精确性提升,数值仿真模拟结果将更接近实际情况,同时随着对热线风速仪应用工况范围的扩大和相关理论的发展,相应的温度标定的修正方法将得到进一步的发展和完善,实验结果也将更加符合实际,实验研究将会更加准确。
【图文】：

径向分布,整机结构,脉管制冷机,脉冲管

并应用热线风速仪对该监测点的速度进行实验测量，，测量出速度的径向分布，对流体内部信息的获取更加细致准确大缩小。在热端换热器与惯性管连接处的突变截面位置，添加探究层流化结构抑制射流进而优化制冷机性能的积极作用。冷机换热器简介-1 为一台直线型脉冲管制冷机的整机结构图。直线型脉管制冷机管 5 内的气体不断往复振动，高、低压气体在脉冲管内部周期地得制冷机获得制冷效果。其制冷过程是：由往复式压缩机 1 产高压气体经过回热器热端换热器 2 进入回热器 3，在回热器 3 中端换热器 4 进入脉冲管 5。脉冲管 5 右端将气体的速度转化为的热由脉冲管热端换热器 6 与外界热交换带走；脉冲管冷端的胀，压力降低产生低温。调相机构由惯性管 7 和气库 8 组成，化整个系统的质量流、压力波相位以及两者间的相位差值大小

曲线,换热量,换热器,百分比

在空气、水、油和乙二醇等不同工作流体的性能进行对比研究，如图1-2 所示是每种换热器中换热量总量的百分比曲线。研究结果对设计应用于不同类型冷却液时，如何选择合适的翅片形式提供了可供借鉴的研究数据。李广甫等[12]研究了在高低两种气压条件下，空气制冷系统中的换热器性能的影响因素。结果表明，低压侧的空气流量对散热器的传热效率影响比较大，而高压侧空气流量对制冷量的影响比较大。在混合制冷剂单级低温循环，换热器的传热性能的实验研究中，南方科技大学的 Le Cao, Jinping Liu, Rixin Li, Shizhe Huang, Fayong Zhang, XiongwenXu[13]对混合制冷机中，孔板式换热器(PFHE)的传热性能进行研究。建立了一种单级低温循环使用的商业压缩机和定制 PFHE 的实验装置，研究了整个冷却过程中 PFHE 的传热性能。通过实验获得制冷温度低至 160°C。并分析了在冷却的过程中，温度差值是如何变化的。同时选取了 5 组凝聚相关系数和 13组流动沸腾相关系数来预测半尺式换热器 PFHE 中的换热系数 HTC。同时，对混合制冷剂低温系统中 PFHE 的设计提出了一些建议。图 1-2 每种换热器中换热量总量的百分比曲线Figures 1-2 The percentage curve of thetotal amount of heat exchanged in each heatexchanger图 1-3 最大雷诺数和瓦伦系数的Nusselt数的关联式计算值与实验值的对比曲线Figures 1-3 The correlation between thecalculated value and the experimental valueof the maximum Reynolds number and theNusselt number of varens coefficient浙江大学的 K. Tang, J. Yu, T. Jin , Y.P. Wang, W.T. Tang, Z.H. Gan[14]描述脉管制冷机中采用的热交换器的传热特性
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB651

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