压力振荡管流动和热效应的研究

摘要

压力振荡管内气体的流动是在周期性激励引起的管内气体的波动过程。波动过程涉及复杂波系的运动，并伴随能量的传递，振荡管壁上显示出相应的冷热效应。研究压力振荡管问题的关键是激励条件下波动流场的特性。压力振荡管流动及热效应的研究，对于丰富气波机械理论和完善工业应用技术具有理论意义和实用价值。
　　 目前，压力振荡管流动和热效应的研究已受到众多研究者的关注，以压力振荡管为核心部件的设备已在气体膨胀制冷和压力交换领域得以有效利用。这类设备具有结构简单、运转平稳和适应气液两相流等优点。但也存在管内带液、设备庞大和振动剧烈等问题，相关研究缺少对管内流动和热效应的系统深入的理论和实验研究。
　　 本论文采用数值模拟和实验测试方法对压力振荡管的流动及其引起的热效应开展了研究，主要工作和结论如下：
　　 ①为了对压力振荡管中含有激波、膨胀波等波系的复杂流动过程进行多管和多周期模拟，本文建立了压力振荡管的数值模型，采用了滑移网格技术处理转动与静止部件之间的滑动。数值分析定量描述了振荡管内激波、膨胀波和分界面的不定常流动行为，确定由波动引起的管内能量转化的关系，为压力振荡管性能研究建立了数值模拟基础。
　　 ②通过实验并结合数值模拟，对一端封闭压力振荡管流动及热效应进行了研究。建立了一端封闭压力振荡管实验平台，进行了多种规格和操作条件下的压力振荡管流动和性能实验。实测了管内波动瞬态压力、振荡管壁温等参数，分析了膨胀比、压力水平和频率等对一端封闭压力振荡管制冷性能的影响。研究发现：振荡管壁温沿管长迅速升高然后逐渐降低，管长、射流频率和膨胀比等参数均能影响管内流场和振荡管壁温的分布，运动的激波是影响壁温分布的主要因素。
　　 本文提出了一种突扩连通振荡管结构。研究表明，突扩结构能够有效地减轻反射激波对振荡管制冷性能的不利影响；在连通多振荡管后，突扩结构也能够减弱波系在不同振荡管之间的传播。为提高振荡管利用率并考虑振荡管集中排液和散热的需要，连通各振荡管后加入一换热设备。实验表明：采用封闭端突扩连通的压力振荡管的等熵制冷效率可提高15％，文中分析了突扩连通的压力振荡管的流动特点。
　　 ③研究了音波型振荡器内流动和振荡特性，将其与压力振荡管结合，提出了无运转部件的射流振荡型气波制冷机。结果表明：欠膨胀附壁射流在较低的压比下流动就达到“壅塞”状态，入口压力对射流附壁的影响较小，增大膨胀比、位差、喷嘴宽度等参数均不利于射流附壁，设置分流劈有利于射流附壁。音波型振荡器的射流频率由控制管长度决定。随着膨胀比的升高，振荡管内入射波的强度逐渐增强，射流振荡型气波制冷机内部各类损失占总能量的比例逐渐减小，机器等熵制冷效率逐渐增大，该变化趋势基本不受控制管长度的影响。射流振荡型气波制冷机无任何转动部件，只需简单静密封，因此特别适用于高压气体的低温处理。
　　 ④对两端开口压力振荡管流动及热效应进行了研究。建立了两端开口压力振荡管实验装置，进行了各种操作参数和结构参数对两端开口压力振荡管性能影响的实验。对两端开口压力振荡管进行了多管和多周期的数值模拟，定量描述了激波和接触面在振荡管内的运行规律，并根据管内波系的运动规律绘制了两端开口振荡管的理想波图。研究发现：在振荡管高温排气端口将产生一道反向压缩波，降低了振荡管的制冷性能。研究得出降低高温排气端口压力和采用两级排气腔结构可以有效地降低反向压缩波的影响。对振荡管与高压喷嘴的渐开和渐闭运动过程中产生的入射损失进行了实验和模拟研究，得出增大高压入口喷嘴宽度或调整高压入口喷嘴的射流角度均可以降低振荡管的入射损失。分析了射入与排出端口与振荡管之间间隙引起的泄漏损失，得出高压入口喷嘴与振荡管之间的间隙产生的泄漏损失较大，高温排气端口与振荡管之间的间隙产生的泄漏损失较小。
　　 以两端开口压力振荡管的研究为基础，本文提出了一种外循环耗散型新型气波制冷机，并测试和分析了各种操作参数和结构参数下制冷机的制冷效率。

目录

文摘

英文文摘

声明

引 言

1 文献综述

1.1 气波制冷机及其发展

1.1.1 气波制冷机的工作原理

1.1.2 气波制冷机的分类

1.1.3 气波制冷机的发展

1.2 压力振荡管内流动研究

1.2.1 管内流动的解释

1.2.2 管内流动的波图分析

1.2.3 管内流动的数值模拟

1.3 一端封闭压力振荡管研究

1.3.1 制冷性能

1.3.2 结构的改进

1.4 射流振荡器研究

1.4.1 射流的分类

1.4.2 射流的附壁

1.4.3 附壁射流的切换振荡

1.4.4 射流振荡型气波制冷机

1.5 气波压力交换技术研究

1.6 气波制冷机工业应用

2 一端封闭压力振荡管内流动和热效应研究

2.1 引言

2.2 实验测试系统

2.2.1 实验装置

2.2.2 实验流程

2.2.3 实验配套系统

2.3 数值分析模型

2.3.1 物理模型

2.3.2 控制方程

2.3.3 湍流模型

2.3.4 激波问题的处理

2.3.5 模型的验证

2.4 均直一端封闭压力振荡管内流动分析

2.4.1 波图分析

2.4.2 数值分析

2.5 均直一端封闭压力振荡管热效应分析

2.5.1 机理分析

2.5.2 射流频率对振荡管热效应的影响

2.5.3 膨胀比对振荡管热效应的影响

2.6 封闭端突扩连通压力振荡管内流动分析

2.6.1 突扩结构

2.6.2 封闭端突扩连通振荡管

2.6.3 管内波动分析

2.7 封闭端突扩连通压力振荡管热效应分析

2.8 本章小结

3 射流振荡器驱动压力振荡管的研究

3.1 引言

3.2 数值分析模型

3.3 双稳附壁元件内流动分析

3.3.1 压力分析

3.3.2 速度和流量分析

3.4 各参数对射流附壁的影响

3.4.1 膨胀比的影响

3.4.2 入口压力的影响

3.4.3 位差的影响

3.4.4 喷嘴宽度的影响

3.4.5 分流劈的影响

3.5 音波型振荡器振荡性能分析

3.5.1 振荡原理

3.5.2 振荡过程分析

3.6 射流振荡型气波制冷机实验及分析

3.6.1 实验测试系统

3.6.2 控制管长度对制冷性能的影响

3.6.3 膨胀比对制冷性能的影响

3.7 本章小结

4 两端开口压力振荡管内流动研究

4.1 引言

4.2 实验测试系统

4.3 数值分析模型

4.4 两端开口压力振荡管内流动分析

4.4.1 工作过程分析

4.4.2 管内波系运动分析

4.5 两端开口压力振荡管内波系匹配分析

4.5.1 机理分析

4.5.2 管内波图的绘制

4.6 两端开口压力振荡管内反射激波的分析

4.6.1 高温排气端口宽度的影响

4.6.2 高温排气端口压力的影响

4.6.3 新型高温排气端口结构

4.7 两端开口压力振荡管入射损失分析

4.7.1 入射过程分析

4.7.2 高压入口喷嘴宽度的影响

4.7.3 高压入口喷嘴射流角度的影响

4.8 喷嘴与振荡管之间间隙的分析

4.9 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

5.2.1 关于数值模拟

5.2.2 关于突扩连通压力振荡管的研究

5.2.3 关于射流驱动压力振荡管性能的研究

5.2.4 关于两端开口压力振荡管的研究

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

攻读博士学位期间申请专利情况

攻读博士学位期间获得发明奖情况

致 谢

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