基本型脉管内气体振荡制冷机理的分子动力学模拟

摘要

脉管制冷机在当今社会应用广泛,但目前对脉管内部气体流动的热力动态过程缺乏微观机理研究.本文采用分子动力学模拟方法,建立微通道模型,并对微通道内进行充气和放气,模拟脉管的压缩和膨胀过程,研究脉管轴向压力、密度、速度和温度随时间的变化.结果表明:随着过程进行,气体轴向的压力与密度梯度逐渐减小,直至达到平衡,但会出现微小的逆向梯度.膨胀和压缩过程在64 ps时,在微通道出口附近出现最大速度,分别为775 m/s和864 m/s,且随着反应的进行,最大速度处逐渐向压力低的方向移动.微通道内各点压力波与速度波的相位随位置而变.在压缩过程中,微通道内靠近封闭端温度较高,可高达500 K;远离封闭端温度较低,可降至223 K,膨胀过程则相反.一次循环温度场叠加时,在热端处,时间积分的平均值为375 K;在冷端处,时间积分的平均值为244 K,有利于热端向环境散热和冷端制冷.