【摘要】：近年來空間科學(xué)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展,對(duì)空間探測(cè)器的性能要求日益提高,而空間探測(cè)器的低溫環(huán)境對(duì)其性能優(yōu)劣有重要的影響,這就對(duì)廣泛應(yīng)用于空間制冷場(chǎng)景的脈管制冷機(jī)的性能和效率有了更高要求。換熱器作為脈沖管制冷機(jī)的關(guān)鍵部件之一,其性能的好壞直接影響制冷機(jī)的制冷性能,因而研究換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)和換熱,對(duì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化脈管制冷機(jī)有重要作用。本研究將計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值模擬與熱線風(fēng)速儀的實(shí)驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合,通過建立換熱器內(nèi)部流體的三維模型獲得其內(nèi)部流場(chǎng)的詳細(xì)信息,用以研究換熱器結(jié)構(gòu)對(duì)換熱器性能的影響規(guī)律。本文對(duì)脈管制冷機(jī)脈沖管熱端換熱器內(nèi)部流體開展如下幾個(gè)方面的研究:首先,闡述數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)及其優(yōu)勢(shì),通過分析探究仿真對(duì)于研究兩種換熱器內(nèi)部流動(dòng)情況的差異的可行性及換熱器性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),給出了CFD數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)及實(shí)現(xiàn)途徑。其次,搭建了應(yīng)用Streamline Pro熱線風(fēng)速儀測(cè)量換熱器內(nèi)部速度分布的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),在一臺(tái)6W@90K的可拆卸脈管制冷機(jī)上開展了脈沖管熱端換熱器內(nèi)部流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究。然后,針對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)的換熱器,在相同工況下兩個(gè)相同空間坐標(biāo)點(diǎn)的速度時(shí)序曲線進(jìn)行數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)量,對(duì)比了兩種換熱器的速度分布情況,對(duì)比分析了兩種換熱器的兩個(gè)特定點(diǎn)位置的速度時(shí)序曲線在數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)量中的差異,并對(duì)此差異產(chǎn)生的可能原因進(jìn)行了分析;仿真模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了狹縫式換熱器相比較于孔板式換熱器擁有更好的換熱能力和使流體的速度分布更為均勻的優(yōu)勢(shì),同時(shí)用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了仿真模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性及仿真方法的正確性,為換熱器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法,具有重要的參考價(jià)值。最后,對(duì)未來工作進(jìn)行展望,隨著仿真模型的精確性提升,數(shù)值仿真模擬結(jié)果將更接近實(shí)際情況,同時(shí)隨著對(duì)熱線風(fēng)速儀應(yīng)用工況范圍的擴(kuò)大和相關(guān)理論的發(fā)展,相應(yīng)的溫度標(biāo)定的修正方法將得到進(jìn)一步的發(fā)展和完善,實(shí)驗(yàn)結(jié)果也將更加符合實(shí)際,實(shí)驗(yàn)研究將會(huì)更加準(zhǔn)確。
【圖文】：

并應(yīng)用熱線風(fēng)速儀對(duì)該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，，測(cè)量出速度的徑向分布，對(duì)流體內(nèi)部信息的獲取更加細(xì)致準(zhǔn)確大縮小。在熱端換熱器與慣性管連接處的突變截面位置，添加探究層流化結(jié)構(gòu)抑制射流進(jìn)而優(yōu)化制冷機(jī)性能的積極作用。冷機(jī)換熱器簡(jiǎn)介-1 為一臺(tái)直線型脈沖管制冷機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)圖。直線型脈管制冷機(jī)管 5 內(nèi)的氣體不斷往復(fù)振動(dòng)，高、低壓氣體在脈沖管內(nèi)部周期地得制冷機(jī)獲得制冷效果。其制冷過程是：由往復(fù)式壓縮機(jī) 1 產(chǎn)高壓氣體經(jīng)過回?zé)崞鳠岫藫Q熱器 2 進(jìn)入回?zé)崞?3，在回?zé)崞?3 中端換熱器 4 進(jìn)入脈沖管 5。脈沖管 5 右端將氣體的速度轉(zhuǎn)化為的熱由脈沖管熱端換熱器 6 與外界熱交換帶走；脈沖管冷端的脹，壓力降低產(chǎn)生低溫。調(diào)相機(jī)構(gòu)由慣性管 7 和氣庫 8 組成，化整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量流、壓力波相位以及兩者間的相位差值大小

在空氣、水、油和乙二醇等不同工作流體的性能進(jìn)行對(duì)比研究，如圖1-2 所示是每種換熱器中換熱量總量的百分比曲線。研究結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)應(yīng)用于不同類型冷卻液時(shí)，如何選擇合適的翅片形式提供了可供借鑒的研究數(shù)據(jù)。李廣甫等[12]研究了在高低兩種氣壓條件下，空氣制冷系統(tǒng)中的換熱器性能的影響因素。結(jié)果表明，低壓側(cè)的空氣流量對(duì)散熱器的傳熱效率影響比較大，而高壓側(cè)空氣流量對(duì)制冷量的影響比較大。在混合制冷劑單級(jí)低溫循環(huán)，換熱器的傳熱性能的實(shí)驗(yàn)研究中，南方科技大學(xué)的 Le Cao, Jinping Liu, Rixin Li, Shizhe Huang, Fayong Zhang, XiongwenXu[13]對(duì)混合制冷機(jī)中，孔板式換熱器(PFHE)的傳熱性能進(jìn)行研究。建立了一種單級(jí)低溫循環(huán)使用的商業(yè)壓縮機(jī)和定制 PFHE 的實(shí)驗(yàn)裝置，研究了整個(gè)冷卻過程中 PFHE 的傳熱性能。通過實(shí)驗(yàn)獲得制冷溫度低至 160°C。并分析了在冷卻的過程中，溫度差值是如何變化的。同時(shí)選取了 5 組凝聚相關(guān)系數(shù)和 13組流動(dòng)沸騰相關(guān)系數(shù)來預(yù)測(cè)半尺式換熱器 PFHE 中的換熱系數(shù) HTC。同時(shí)，對(duì)混合制冷劑低溫系統(tǒng)中 PFHE 的設(shè)計(jì)提出了一些建議。圖 1-2 每種換熱器中換熱量總量的百分比曲線Figures 1-2 The percentage curve of thetotal amount of heat exchanged in each heatexchanger圖 1-3 最大雷諾數(shù)和瓦倫系數(shù)的Nusselt數(shù)的關(guān)聯(lián)式計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比曲線Figures 1-3 The correlation between thecalculated value and the experimental valueof the maximum Reynolds number and theNusselt number of varens coefficient浙江大學(xué)的 K. Tang, J. Yu, T. Jin , Y.P. Wang, W.T. Tang, Z.H. Gan[14]描述脈管制冷機(jī)中采用的熱交換器的傳熱特性
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB651

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本文編號(hào)：2631484