多管静止式气波制冷机振荡特性研究

摘要

全球对能源的消费中，天然气将成为需求增长最快的能源，而在天然气加工工艺中需要能在高压下操作且高效的气体膨胀制冷设备。静止式气波制冷机是一种新型气体膨胀制冷设备，其工作原理为：利用自激励射流振荡器生成的振荡射流对一端封闭的接受管进行周期性射气，入射气把其能量通过激波的运动传递给接受管内原有气体并通过接受管壁向环境散热实现“冷却”。静止式气波制冷机无任何转动部件、只需要简单的静密封，且具有很强的带液工作能力，因此特别适合用于加工处理高压天然气。目前，静止式气波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.2006AA05Z216)，通过数值模拟和实验对多管静止式气波制冷机的性能进行研究。 附壁射流的特性如偏转程度、附壁距离等是静止式气波制冷机设计的基础。本文首先对附壁射流的特性作了数值模拟，分析了附壁射流的流场，考察了附壁元件结构参数和操作参数对附壁特性的影响。研究表明射流的偏转特性主要与射流两旁的压差有关，侧壁直壁段对射流的附壁点具有很好的引导作用。 接受管是制冷实现的场所，本文研究了接受管中波系的运动与传播过程。得出入射波扫过以后，管内气体的压力、密度、温度等有一个突跃升高。波在传播的过程中由于摩擦等原因强度会降低；在波到达之前，接受管中的气体正朝着管口的方向运动，处于排气的过程，但是在波和入射气体的共同作用下，在波面处，速度大小急剧下降，然后变成跟入射气流方向一致。 多管静止式气波制冷机相比双管式更具有工业应用价值，故本文在对双管射流振荡器和接受管研究的基础上，开发了适合多管静止式气波制冷机需要的射流振荡器，将改造的音波和正反馈振荡器用于多管静止式气波制冷机，对振荡器的可振性、振荡频率以及它们的影响因素作了数值模拟研究，得出如下结论：射流只在一定的操作条件和几何结构尺寸范围内才能稳定振荡；在对多管静止式气波制冷机数值模拟的基础上对其进行了设计和加工，并对它进行了实验研究。结果表明，提高气波制冷机的入口压力，可以增大出口气体的温降，入口温度的提高也会导致温降的增大。高频情况下的正反馈振荡器作为振荡源，射流对接受管内气体的做功频率较高，相对于较低频率的音波振荡器，可以得到更高的温降。

目录

文摘

英文文摘

声明

引言

1文献综述

1.1选题的背景和意义

1.2气波制冷机的发展和应用

1.2.1气波制冷机工作原理和结构型式

1.2.2气波制冷机的发展历史

1.2.3气波制冷机的工业应用

1.3气波制冷机的理论研究

1.4射流理论及振荡器概述

1.4.1射流的形成和分类

1.4.2射流的属性

1.4.3射流的附壁与切换

1.4.4射流的卷吸

1.4.5振荡器简介

1.5本论文的研究内容及技术路线

2射流附壁的流场分析

2.1几何模型

2.2数学模型

2.2.1控制方程

2.2.2湍流模型

2.2.3数值方法

2.3附壁特性分析

2.4小结

3接受管中流动分析

3.1接受管内的热力学过程

3.2接受管内波动分析

3.3小结

4多管静止式气波制冷机整机分析

4.1数学模型

4.2音波式气波制冷机研究

4.2.1射流振荡过程的分析

4.2.2整机流场分析

4.2.3直壁段对振荡的影响

4.2.4振荡特性

4.2.5音波管对振荡频率的影响

4.3正反馈式气波制冷机研究

4.3.1射流振荡过程的分析

4.3.2接受管波形图

4.3.3整机流场分析

4.3.4振荡特性

4.3.5反馈管长度对频率的影响

4.4射流的可振性

5多管静止式气波制冷机的设计和实验研究

5.1实验装置的设计

5.2实验方案

5.2.1实验装置和仪器

5.2.2实验流程

5.3音波式气波制冷机实验研究

5.3.1压比对波形的影响

5.3.2压比对频率的影响

5.3.3压比对温降的影响

5.3.4入口温度对温降的影响

5.4正反馈式气波制冷机实验研究

5.4.1接受管压力波形

5.4.2温降与压比的关系

5.4.3反馈口位置的影响

6结论与展望

6.1本文主要结轮

6.2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