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基于非热平衡的单级斯特林型脉管制冷机CFD模拟与实验研究

俞益波  
【摘要】:单级斯特林型脉管制冷机具有结构紧凑、高效、可靠性高等优点,在军事、超导、医疗等领域有着广泛的应用前景。计算流体动力学(CFD)方法在描述多维流动和传热特性方面具有较好的适用性,在脉管制冷机理研究中已获得初步应用。然而,相关CFD软件中用来模拟回热器和换热器的多孔介质模型是一个热平衡模型,与实际不符。同时,由于脉管制冷机内部存在强烈的非线性效应,各参数的实际动态变化以及气体微团的热力学循环等,只有理论上的定性分析,缺少定量研究。另外,惯性管是斯特林型脉管制冷机采用的主要调相机构,目前三种常用计算惯性管的方法均基于一维、小压比的层流假设推导而来,无法精确描述湍流和边界层效应,给计算结果带来较大的偏差。鉴于此,本文主要开展了以下工作: 1.本文重点对多孔介质模型中的热平衡假设进行了改进,采用基于非热平衡假设的多孔介质模型对单级斯特林型脉管制冷机进行了CFD模拟。对换热系数,压降和有效导热系数等一系列经验参数和物性参数进行分析,建立更接近实际的脉管制冷机模型。采用改进后的模型进行迭代计算,获得了制冷机内部压力场、速度场和温度场。重点分析了压力、速度、温度等参数的动态变化过程以及制冷机各部件内气体微团的热力学循环过程,进一步加深了对脉管制冷机工作机理的认识。 2.本文分析了惯性管内气体流动状态和计算惯性管的三种传统方法,揭示出计算值和实验值存在较大误差的原因。利用Fluent自带的多种湍流模型和近壁处理方法,通过与实验比较找到了最适用的惯性管计算模型。 3.搭建了单级斯特林型脉管制冷机的实验,研究了不同频率、充气压力、输入电功下的制冷量,并和低温制冷机整机模拟软件Sage的模拟结果进行了对比,两者达到了很好的一致性。


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