耦合壁面材料對脈管制冷機(jī)的影響及Fluent數(shù)值模擬分析TOC\o"1-3"\h\u146701緒論 2153901.1研究背景 2183741.2發(fā)展歷史 3158661.3脈管制冷機(jī)的應(yīng)用 7203621.4脈管制冷機(jī)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀 8161991.5本文工作 9163762脈管制冷機(jī)的基本原理分析 11221742.1脈管制冷機(jī)的類型 11284612.1.1按照驅(qū)動方式劃分 11235292.1.2按照布置方式劃分 13201372.2脈管制冷機(jī)的工作原理 14304612.3脈管制冷理論 15148382.3.1表面熱泵理論 15174372.3.2焓流調(diào)相理論 15224362.3.3熱聲理論 16178002.3.4數(shù)值模擬計算理論 1618243利用Gambit創(chuàng)建網(wǎng)格模型 18211193.1同軸型脈管制冷機(jī)模型結(jié)構(gòu) 18271713.2Gambit軟件介紹 19305603.3Gambit模型構(gòu)建 20201853.4Gambit網(wǎng)格劃分 2160993.5Gambit邊界命名 23102133.6Gambit網(wǎng)格質(zhì)量分析和導(dǎo)出 24274164Fluent數(shù)值模擬 25271254.1Fluent軟件介紹 25276314.2Fluent參數(shù)設(shè)置 2588334.2.1導(dǎo)入模型并檢查質(zhì)量 25247644.2.2求解器的設(shè)置 26312044.2.3物理模型的設(shè)定 2614934.2.4材料的設(shè)定 2689544.2.5邊界條件的設(shè)定 27294584.3UDF編寫和導(dǎo)入 2932974.4Fluent運(yùn)行計算 30243514.5分析結(jié)果 3139875結(jié)論 4213855參考文獻(xiàn) 431緒論1.1研究背景將低溫物體的熱量傳輸給周圍環(huán)境從而獲得冷量的機(jī)器為制冷機(jī)。制冷技術(shù)在人們的日常生活的各個方面都有著極大的應(yīng)用，最普遍的無疑就是食品冷凍和空調(diào)制冷了，不僅如此，它在工業(yè)生產(chǎn)，建筑工程，氣體液化，醫(yī)療衛(wèi)生，超導(dǎo)電子，軍事航天探測，低溫物理研究等領(lǐng)域都有著很重要的應(yīng)用。在18世紀(jì)的后期，現(xiàn)代制冷技術(shù)開始發(fā)展起來。1755年，一位名叫庫倫利的化學(xué)教師發(fā)現(xiàn)用乙醚蒸發(fā)水可以讓水的熱量減少使其溫度降低而結(jié)冰，他的學(xué)生依此發(fā)明了冰量熱器，這種讓物體的熱量轉(zhuǎn)移給了周圍環(huán)境的技術(shù)，是現(xiàn)代制冷技術(shù)的開始。一開始，人們只涉及到普冷方面，而并未向低溫制冷邁進(jìn)。在之后的幾百年間，人們在普通制冷方面研究創(chuàng)新不斷，19世紀(jì)，世界上有了第一臺以乙醚為工質(zhì)的蒸氣壓縮式制冷機(jī)，有了氨水吸收式制冷系統(tǒng)，蒸氣噴射式制冷系統(tǒng)。20世紀(jì)，氟利昂制冷劑被發(fā)現(xiàn)并用于蒸氣壓縮式制冷循環(huán)，回?zé)崾匠凉衿餮h(huán)等的出現(xiàn)，均推動了制冷技術(shù)的發(fā)展。并且普冷技術(shù)在生活中得以應(yīng)用，如在食品工業(yè)鏈方面，從冷加工裝置，大型冷庫到冷藏運(yùn)輸汽車、輪船、飛機(jī)等，再到小型裝配式冷庫都需要低溫制冷。在機(jī)械制造中，對材料進(jìn)行低溫處理改變其結(jié)構(gòu)，達(dá)到人們需要的某一方面，可以提高材料的硬度和強(qiáng)度，或者使材料更具韌性等。另外，化學(xué)工業(yè)上要進(jìn)行低溫化學(xué)實(shí)驗(yàn)，在低溫環(huán)境里對高要求的零件進(jìn)行性能的模擬試驗(yàn)，使其能夠適應(yīng)各種高寒惡劣環(huán)境。低溫制冷是將溫度冷卻到低于120K的制冷，而120K以下的低溫制冷量對于低溫材料加工，電子設(shè)備冷卻和太空航天探測設(shè)備的研究等都有著重要作用。在火箭、航天儀器上的各種電子控制裝置、發(fā)動機(jī)等零件需要適應(yīng)寒冷的太空環(huán)境并保證性能穩(wěn)定優(yōu)良運(yùn)行，還有其所需的液體燃料要用低溫技術(shù)制取。低溫技術(shù)在紅外探測器上也有應(yīng)用，一來對環(huán)境的高度要求，二來其設(shè)備要獲得優(yōu)良的探測結(jié)果離不開低溫條件。低溫技術(shù)更為低溫方面的各個學(xué)科都有極大的促進(jìn)作用，低溫領(lǐng)域方面的聲學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)等，包括低溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展都與低溫技術(shù)分不開。每項(xiàng)應(yīng)用領(lǐng)域都有其獨(dú)特的技術(shù)要求，這也導(dǎo)致了低溫制冷機(jī)在許多方面都有新的改進(jìn)，在低溫制冷領(lǐng)域不斷開拓。低溫制冷機(jī)分為開循環(huán)制冷、閉式循環(huán)制冷。開式循環(huán)制冷的工質(zhì)經(jīng)過一次制冷過程后直接釋放到外部，造成浪費(fèi)，效率低下；閉式循環(huán)的制冷過程中工質(zhì)可以循環(huán)利用，性能優(yōu)異。閉式循環(huán)制冷根據(jù)換熱形式不同又分為回?zé)崾胶烷g壁式制冷機(jī)。間壁式制冷機(jī)是循環(huán)流動的冷、熱流體在固壁面分隔的流道中進(jìn)行換熱的，回?zé)崾街评錂C(jī)在制冷過程中的冷、熱流體周期性地流過同一回?zé)崞魈盍线M(jìn)行換熱，其換熱更為緊湊，效率更高?；?zé)崾街评錂C(jī)有機(jī)械式驅(qū)動和熱驅(qū)動兩種驅(qū)動驅(qū)動方式的制冷機(jī)，熱驅(qū)動式有維勒米爾制冷機(jī)，它的特點(diǎn)是用熱量作為驅(qū)動源，無機(jī)械運(yùn)動部件；機(jī)械驅(qū)動在脈管制冷機(jī)方面有斯特林脈管制冷機(jī)和GM型脈管制冷機(jī)。脈管制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊、振動小、磨損低、壽命長，它的冷端沒有運(yùn)動部件，在很多應(yīng)用場合下，方便與其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，且連接更加可靠，滿足了許多特殊場合對低溫制冷可靠性的要求，應(yīng)用潛力巨大。圖1.1低溫制冷機(jī)簡單分類示意圖1.2發(fā)展歷史1963年美國的Gifford和Longsworth在研究GM型制冷機(jī)時，發(fā)現(xiàn)在一根空管內(nèi)，使其一端封閉，當(dāng)存在交變壓力波時，沿管軸的方向可形成很大的溫度梯度。采用壓縮機(jī)提供交變壓力波，裝上回?zé)崞骱屠涠藫Q熱器，發(fā)現(xiàn)在回?zé)崞骱兔}管的交接處產(chǎn)生了制冷效應(yīng)，這便是第一代的脈管制冷機(jī)，也稱基本型脈管制冷機(jī)[1]。脈管制冷機(jī)的冷端是一根空心的圓柱管，稱為脈管，沒有了排出器，冷端無運(yùn)動部件。圖1.2基本型脈管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)圖1983年，前蘇聯(lián)的Mikulin在基本型脈管制冷機(jī)的脈管熱端換熱器前加入小孔，在換熱器后加入氣庫，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改革，并稱該制冷機(jī)為小孔型脈管制冷機(jī)[1]。通過小孔和氣庫調(diào)節(jié)制冷機(jī)熱端的質(zhì)量流量，使其最低制冷溫度降到了105K。后來有科學(xué)家用針閥代替小孔，置于熱端換熱器后面，直接調(diào)節(jié)脈管與氣庫的氣體流量，獲得最低60K的低溫[3]。圖1.3小孔型脈管制冷機(jī) 后來朱紹偉等人提出了雙向進(jìn)氣型脈管制冷機(jī)，在壓縮機(jī)出口和脈管熱端附加一個閥門，直接將部分氣流引入脈管而不經(jīng)過回?zé)崞鱗4]。流經(jīng)雙向進(jìn)氣閥的這股氣體直接改善了脈管的冷端相角并減小了回?zé)崞髦械淖枇p失和回?zé)釗p失，提高了制冷性能。圖1.4雙向進(jìn)氣型脈管制冷機(jī)1994年，日本的Kanao等采用一根細(xì)長管實(shí)現(xiàn)了脈管制冷機(jī)冷端相角的調(diào)節(jié)，這根細(xì)長管稱作慣性管[5]，發(fā)現(xiàn)低溫慣性管可以解決低聲功時室溫慣性管調(diào)相能力不足的問題。慣性管可以利用管內(nèi)振蕩氣流在高頻運(yùn)行下的慣性效應(yīng)來調(diào)節(jié)壓力波與質(zhì)量流的相位差，不會產(chǎn)生直流，它的調(diào)相能力與脈管熱端聲功有關(guān)，聲功越大，慣性管可提供的相角越大。圖1.5慣性管型脈管制冷機(jī)2003年，LMATC研制出一臺空間用35K兩級脈管制冷機(jī)，采用L2010型壓縮機(jī)驅(qū)動[6]。2004年，美國SierraLobo公司報道了一臺在第二級回?zé)崞髦惺褂昧讼⊥链判孕罾洳牧系膬杉墯怦詈纤固亓置}管制冷機(jī)[7]。2005年，德國吉森大學(xué)研制了一臺氣耦合式兩級斯特林脈管制冷機(jī)[8]。該制冷機(jī)U型布置的冷頭和采用雙向進(jìn)氣、慣性管聯(lián)合調(diào)相的第二級結(jié)構(gòu)是它的亮點(diǎn)。而后，吉森大學(xué)又作出改進(jìn)，保持冷頭U型布置，但是第二級除采用雙向進(jìn)氣、慣性管聯(lián)合調(diào)相外，小孔也應(yīng)用其中進(jìn)行聯(lián)合調(diào)相，并在第二級回?zé)崞髦惺褂昧隋冦U絲網(wǎng)[9]。圖1.6SierraLobo公司的兩級脈管制冷機(jī)圖1.7吉森大學(xué)兩級脈管制冷機(jī)冷頭2007年，中科院理化所研制了一臺兩級氣耦合型脈管制冷機(jī)，最低溫度可達(dá)16.1K，將利用同軸型結(jié)構(gòu)替換了原來一級的U型結(jié)構(gòu)，并在冷指部分設(shè)有輻射屏，二級回?zé)崞鞯牡蜏囟尾捎缅冦U絲網(wǎng)，因?yàn)橥ㄟ^比較發(fā)現(xiàn)若采用不銹鋼絲網(wǎng)的話，性能略差[10]。2009年浙江大學(xué)低溫所研制出一臺動磁式線性壓縮機(jī)，并將其用于驅(qū)動自行設(shè)計的兩級熱耦合斯特林脈管制冷機(jī)，在輸入電功400W時，獲得了14.2K的最低制冷溫度[11]。圖1.8中科院熱耦合型脈管制冷機(jī)圖1.9浙江大學(xué)熱耦合型脈管制冷機(jī)2015年，中科院理化所劉思學(xué)等采用液氮對脈管制冷機(jī)的熱端進(jìn)行預(yù)冷，在180W電功輸入條件下，獲得了675mW@20K的制冷性能[12]。2016年，韓國科學(xué)技術(shù)研究院的Jiho

Park等采用液氮對壓縮機(jī)進(jìn)行預(yù)冷，使制冷機(jī)獲得了更低的無負(fù)載溫度38.5K[13]。2017年，中科院上海技術(shù)物理研究所蔣燕陽等對兩級同軸型脈管制冷機(jī)回?zé)崞髋c脈管壁換熱的影響進(jìn)行了分析并開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)[14]。結(jié)果表明，由于同軸型制冷機(jī)回?zé)崞髋c脈管之間存在熱交換，對脈管預(yù)冷可使得兩級同軸型脈管制冷機(jī)的性能優(yōu)于同條件下的直線型脈管制冷機(jī)。圖1.10同軸布置兩級脈管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1.3脈管制冷機(jī)的應(yīng)用在幾十年前，小型低溫制冷機(jī)就已經(jīng)開始實(shí)際應(yīng)用，尤其是在軍事方面，發(fā)明的夜視紅外探測器運(yùn)用小型低溫制冷機(jī)，溫度低至80K左右，極大促進(jìn)了軍隊夜間作戰(zhàn)的發(fā)展，彌補(bǔ)了一些缺陷。之后在衛(wèi)星和導(dǎo)彈的探測方面進(jìn)一步應(yīng)用低溫制冷機(jī)，不斷創(chuàng)新和突破，促進(jìn)了小型低溫制冷機(jī)在應(yīng)用方面的發(fā)展。脈管制冷機(jī)除應(yīng)用于軍事用的夜視紅外探測器，在火箭、衛(wèi)星上也運(yùn)用到脈管制冷機(jī)實(shí)用的紅外探測器，包括太空電子設(shè)備在低溫環(huán)境下的應(yīng)用，超導(dǎo)磁體冷卻和超導(dǎo)電子冷卻的實(shí)際應(yīng)用使得太空電子設(shè)備運(yùn)行更加安全可靠，促進(jìn)了在航空航天方面的發(fā)展。對于脈管制冷機(jī)的壽命、效率、抗干擾、可靠性和穩(wěn)定性等方面都有了更高的要求，并使制冷機(jī)在這些方面不斷改進(jìn)和研究。2001年，美國宇航局在脈管制冷機(jī)方面提出了一個計劃，為制冷機(jī)低溫技術(shù)發(fā)展促進(jìn)一大步。美國宇航局需要為多臺探測器在6K和18K溫區(qū)提供一定制冷量，并要求制冷機(jī)壽命大于10年，制冷系統(tǒng)總重量小于40kg，冷量波動小，具有盡量低的振動和電磁干擾。這些需求很難統(tǒng)一達(dá)成，而斯特林脈管制冷機(jī)卻非常符合要求，它的緊湊的結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)重量減輕很多，同時其優(yōu)異的抗干擾能力和高效率使得脈管制冷機(jī)在這一項(xiàng)目中大放異彩?，F(xiàn)階段，脈管制冷機(jī)在液氫和液氦溫區(qū)有更加深入的研究。在液氫主要用于空間紅外探測器的大容量、可靠、高效長壽的研究以及高溫超導(dǎo)器件的冷卻。而在液氦溫區(qū)，研究主要是在超導(dǎo)磁體和超導(dǎo)器件中進(jìn)行，還有對脈管制冷機(jī)進(jìn)行低溫物理試驗(yàn)，用以代替液氦。1.4脈管制冷機(jī)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀（1）脈管制冷機(jī)的變截面新型結(jié)構(gòu)。何雅玲等人在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，提出對脈管制冷機(jī)采用同軸型微型結(jié)構(gòu)和雙向進(jìn)氣，并且脈管采用階梯型截面這一新型結(jié)構(gòu)[15]。（2）縫隙回?zé)崞魇矫}管制冷機(jī)。何雅玲等人提出了一種新型的回?zé)崞髅}管制冷機(jī)，其回?zé)崞鞑捎每p隙式，使它的換熱方式實(shí)現(xiàn)了左右回?zé)?，然后對它的?shù)值模型進(jìn)行了熱力學(xué)工況數(shù)值計算分析[16]。（3）熱聲發(fā)動機(jī)驅(qū)動的脈管制冷機(jī)。一種新型的脈管制冷機(jī)，其采用發(fā)動機(jī)熱聲驅(qū)動，區(qū)別于傳統(tǒng)的機(jī)械式驅(qū)動，孫大明等人對這一新型制冷機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以這一新型研究成果驅(qū)動小孔型單級脈管制冷機(jī)，并以氦氣作為工質(zhì)，最終得到了119K的制冷溫度，已經(jīng)極為難得。（3）改進(jìn)熱聲發(fā)動機(jī)驅(qū)動的脈管制冷機(jī)。為了提高制冷機(jī)的性能，達(dá)到更低的制冷溫度，羅二倉等人改進(jìn)設(shè)計了一種新型的駐波熱聲發(fā)動機(jī)驅(qū)動的脈管制冷機(jī)，同樣氦氣作為工質(zhì)不變，將壓比提高，然后使用改進(jìn)的駐波熱聲發(fā)動機(jī)驅(qū)動同軸雙向進(jìn)氣小孔型脈管制冷機(jī)，再對其參數(shù)設(shè)置進(jìn)行調(diào)整，使二者能夠完好匹配，最終獲得了84.3K的制冷溫度，完成了脈管制冷機(jī)改進(jìn)的初衷。（4）新型的斯特林脈管制冷機(jī)。而胡劍英等人就發(fā)明了一種新型的斯特林脈管制冷機(jī)，在這一制冷機(jī)中，它的系統(tǒng)是活塞式壓縮機(jī)作為驅(qū)動的，但是它要進(jìn)行油潤滑保持壓縮機(jī)的正常工作，因此，為了確保壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓力波進(jìn)入制冷機(jī)和阻止?jié)櫥瓦M(jìn)入制冷機(jī)，胡劍英等人巧妙地使用了一種彈性膜片完美解決了這兩個問題。這一基于彈性膜片的斯特林脈管制冷機(jī)最終獲得了29.8K的最低制冷溫度。在脈管制冷機(jī)的研究過程中，無數(shù)科學(xué)家不斷實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新，讓我國的低溫制冷技術(shù)方面和小型低溫制冷機(jī)不弱于國際水平太遠(yuǎn)。1.5本文工作同軸脈管制冷機(jī)存在冷頭流體彎折帶來的損失，以及回?zé)崞骱兔}管的徑向換熱對制冷機(jī)制冷效率的影響。為提高同軸型脈管制冷機(jī)的性能，本文將對回?zé)崞骱兔}管的耦合壁面進(jìn)行有效研究。通過Gambit劃分網(wǎng)格模型，利用Fluent進(jìn)行同軸脈管制冷機(jī)模型的數(shù)值模擬，研究耦合壁面材料不同的導(dǎo)熱率和不同的粗糙度對制冷機(jī)性能的影響。通過改變耦合壁面的導(dǎo)熱率，分析對制冷機(jī)性能的影響環(huán)形回?zé)崞鞅诿媾c脈管壁之間還有一層壁面，耦合壁面的三層壁面只需改變夾層壁面的導(dǎo)熱率，回?zé)崞骱兔}管間的換熱將會大大影響，因此需要改變該壁面材料的導(dǎo)熱率去分析耦合壁面的特性對制冷機(jī)徑向換熱的影響。分析在同一種材料，改變導(dǎo)熱率的情況下去分析高導(dǎo)熱率對比低導(dǎo)熱率的制冷機(jī)換熱性能的差異，并得出幾組不同的導(dǎo)熱率換熱性能最高的導(dǎo)熱率是哪一組。本文對夾層壁面材料分別設(shè)置了三次，case1為1倍導(dǎo)熱率的不銹鋼材料，case2為100倍導(dǎo)熱率的不銹鋼材料，case3為0.001倍導(dǎo)熱率的不銹鋼材料，對三種材料進(jìn)行不同的數(shù)值模擬計算，并對三種不同的導(dǎo)熱率材料進(jìn)行對比分析。通過改變脈管壁的粗糙度，分析對制冷機(jī)性能的影響環(huán)形回?zé)崞骱兔}管進(jìn)行耦合的部分，改變主流區(qū)脈管壁面的粗糙度，分析在不同的粗糙度大小的影響下，氦氣流動換熱的影響，以便得出粗糙度的大小對制冷機(jī)換熱性能的影響，為管壁面材料選擇合適的粗糙度。本文對不銹鋼材料的粗糙度設(shè)置分別為case4的0.02粗糙度和case5的0.1粗糙度，兩種不同大小的粗糙度以及case6粗糙度為0的光滑通道進(jìn)行對比分析。圖1.11本文工作2脈管制冷機(jī)的基本原理分析2.1脈管制冷機(jī)的類型2.1.1按照驅(qū)動方式劃分按照驅(qū)動方式來劃分，脈管制冷機(jī)分為G-M型脈管制冷機(jī)、斯特林型脈管制冷機(jī)和熱聲驅(qū)動型脈管制冷機(jī)。G-M型脈管制冷機(jī)通過壓縮系統(tǒng)提供穩(wěn)定的高壓源，在膨脹系統(tǒng)產(chǎn)生冷量。其實(shí)際上是利用帶有閥的壓縮機(jī)，進(jìn)行連續(xù)的西蒙膨脹使絕熱氣體放氣制冷，共有升壓、等壓充氣、絕熱放氣和等壓排氣四個過程。G-M脈管制冷機(jī)的的特點(diǎn)是具有更高的制冷量和較低的工作頻率，冷頭振動小且便于安裝，但是它的能量損失較高，體積較大。目前應(yīng)用于低溫泵、超導(dǎo)磁體冷卻、氦液化器等方面。圖2.1G-M型脈管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖圖2.2G-M型脈管制冷機(jī)斯特林型脈管制冷機(jī)是一種按逆向斯特林循環(huán)工作的制冷機(jī)。它由回?zé)崞?、冷卻器、冷量換熱器、膨脹腔和壓縮腔組成。它的循環(huán)所經(jīng)歷等溫壓縮、定容放熱、等溫膨脹和定容吸熱四個過程，其中等溫膨脹過程進(jìn)行制冷，理想狀態(tài)的制冷量即為膨脹功。斯特林脈管制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊、制冷效率高、操作簡便并且采用線性壓縮機(jī)作為驅(qū)動裝置使得它的體積小，適合應(yīng)用于各種微型制冷機(jī)的場合。目前其發(fā)展由單級到多級，創(chuàng)造了多缸制冷機(jī)，驅(qū)動方式也更加多種多樣，在溫度極低的液氮溫區(qū)附近進(jìn)行小制冷量應(yīng)用。圖2.3單級斯特林脈管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖圖2.4斯特林型脈管制冷機(jī)熱聲驅(qū)動型脈管制冷機(jī)是一種區(qū)別于其他驅(qū)動方式的脈管制冷機(jī)，它沒有機(jī)械驅(qū)動的壓縮機(jī)而是基于熱聲效應(yīng)工作的，即為熱聲制冷。它主要利用熱聲振蕩產(chǎn)生壓力波來驅(qū)動脈管工作，其在低溫下沒有機(jī)械運(yùn)動部件不僅減少了空間，而且其具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、電磁干擾小、可靠性高以及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。目前熱聲驅(qū)動型脈管制冷機(jī)技術(shù)尚不完善，但在能源和低溫領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，是研究人員研究的熱點(diǎn)，不斷對其創(chuàng)新和完善。圖2.5熱聲制冷機(jī)的裝置示意圖圖2.6熱聲驅(qū)動型脈管制冷機(jī)2.1.2按照布置方式劃分按照制冷機(jī)中回?zé)崞骱兔}管的相對布置方式劃分，脈管制冷機(jī)包括直線型脈管制冷機(jī)、同軸型脈管制冷機(jī)和U型脈管制冷機(jī)。直線型脈管制冷機(jī)，即回?zé)崞骱兔}管連接在一條直線上，結(jié)構(gòu)簡單且制冷效率高，如圖b。流體工質(zhì)從回?zé)崞髦本€流入脈管，簡單高效，除與外界環(huán)境的換熱影響并無其他損失。但是它的缺點(diǎn)在于直線型的結(jié)構(gòu)使其尺寸較大，在其他結(jié)構(gòu)的布置上稍顯復(fù)雜，尤其是冷頭結(jié)構(gòu)處于直線型結(jié)構(gòu)的中央位置，與其他結(jié)構(gòu)難以耦合，對條件要求較高。同軸型脈管制冷機(jī)布置的布置方式如圖c所示，它的回?zé)崞靼}管并處于同一軸線上，這樣的布置方式使其結(jié)構(gòu)緊湊，適合用于對空間尺寸要求較小的場合。另外回?zé)崞靼}管這種結(jié)構(gòu)，一定程度上使脈管隔絕了外界環(huán)境溫度的影響，而冷頭處于末端，容易與其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合獲取制冷量。但是它的缺點(diǎn)在于制冷效率低下，一來在冷頭部分工質(zhì)要進(jìn)行彎折流動，阻力極大，二來脈管與回?zé)崞鹘佑|部分要進(jìn)行大量的換熱，這一熱損失也極大影響了其制冷效率。U型脈管制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖a所示，是回?zé)崞骱兔}管并列布置的。它的結(jié)構(gòu)尺寸要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直線型，同時脈管與回?zé)崞鞑⒘型ㄟ^U型管連接，工質(zhì)在彎道的回流損失和阻力損失都減小，效率高于同軸型，但是同樣低于直線型的制冷效率，是一種介于直線型和同軸型之間的結(jié)構(gòu)。圖aU型脈管制冷機(jī)圖b直線型脈管制冷機(jī)圖c同軸型脈管制冷機(jī)圖2.7不同的脈管制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖2.2脈管制冷機(jī)的工作原理基本脈管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2.8所示，包括壓縮機(jī)、回?zé)崞鳌⒚}管，以及切換閥、導(dǎo)流器、負(fù)荷換熱器和水冷卻器。它是通過充氣壓縮和放氣膨脹來獲得制冷量的。其工作原理是：壓縮機(jī)對氣體進(jìn)行壓縮后，高壓氣體進(jìn)入處于進(jìn)氣狀態(tài)的切換閥，經(jīng)過回?zé)崞鬟M(jìn)行冷卻，達(dá)到制冷溫度的氣體微團(tuán)經(jīng)由層流器保持層流狀態(tài)進(jìn)入脈管內(nèi)，之后不斷有氣體微團(tuán)進(jìn)入脈管，進(jìn)行充氣壓縮。脈管中的氣體被壓縮至水冷卻器，由冷卻水對脈管內(nèi)的氣體微團(tuán)進(jìn)行冷卻降溫，關(guān)閉切換閥進(jìn)氣靜止一段時間后再將其進(jìn)行排氣，高壓氣體向負(fù)荷換熱器流通，并膨脹降溫，最后在負(fù)荷換熱器處吸收外界熱量達(dá)到制冷效果，然后進(jìn)行周期性循環(huán)。脈管制冷機(jī)的特點(diǎn)有：安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單、效率高、對振動和電磁抗干擾能力強(qiáng)、工作時間長、冷端無運(yùn)動部件；但是冷頭安裝受限，朝下安裝以方便與其他部件連接。圖2.8基本脈管制冷機(jī)循環(huán)過程的氣體溫度分布1.切換閥；2.回?zé)崞鳎?.負(fù)荷換熱器；4.脈管；5.水冷卻器；6.導(dǎo)流器2.3脈管制冷理論2.3.1表面熱泵理論表面泵熱原理[17]，基本型脈管制冷機(jī)主要依靠脈管壁面與氣體間的相互傳熱，即表面泵熱效應(yīng)將熱量從冷端傳到熱端，脈管中部絕大多數(shù)氣體并沒有參與制冷，因此其制冷效果受到限制。制冷機(jī)中的氣體微團(tuán)工質(zhì)，在冷端吸收熱量，送至熱端，之后再熱段吸收冷量送至冷端，從環(huán)境中吸收熱量，進(jìn)行周期性制冷工作。從微觀角度來看，表面泵熱原理基于拉格朗日視角，定性解釋了基本型脈管的制冷機(jī)理。但由于泵熱的局限性，泵熱原理不能用于解釋隨后發(fā)展起來的制冷性能遠(yuǎn)高于基本型脈管制冷機(jī)的各種調(diào)相型脈管制冷機(jī)。2.3.2焓流調(diào)相理論為解釋小孔型脈管制冷機(jī)性能提升的機(jī)理，Radebaugh提出了焓流調(diào)相理論[18,19]。焓流調(diào)相理論給出了脈管制冷機(jī)制冷量的表達(dá)式，并從中引出了相角這一對制冷機(jī)性能起決定性影響的參數(shù)。根據(jù)焓流調(diào)相理論，小孔型脈管制冷機(jī)性能得以提升正是因?yàn)樾】缀蜌鈳斓拇嬖诟纳屏嘶拘兔}管冷端原本接近90°的相位，使得脈管內(nèi)時均焓流增大，即理論制冷量增大。焓流調(diào)相理論合理地解釋了交變流下脈管制冷機(jī)的工作機(jī)理，并且得出應(yīng)該對脈管冷端壓力波和質(zhì)量流進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，采用相移器適當(dāng)調(diào)節(jié)其相位差才是脈管制冷機(jī)今后發(fā)展的道路。目前，單級GM脈管制冷機(jī)運(yùn)用雙向進(jìn)氣調(diào)相制冷溫度最低達(dá)到10K左右[20]，其兩級結(jié)構(gòu)可在4.2K有1W以上的制冷量。脈管制冷機(jī)的性能運(yùn)用雙向進(jìn)氣的方式顯著提高，成為當(dāng)前脈管制冷機(jī)廣泛使用的調(diào)相形式。2.3.3熱聲理論熱聲效應(yīng)是熱能與聲能之間相互轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。它是由于處于聲場中的固體介質(zhì)與振蕩流體之間的相互作用，從而導(dǎo)致在距離固體壁面一定范圍內(nèi)產(chǎn)生沿著聲傳播方向的時均熱流和時均功流。1777年，ByronHiggins首先發(fā)現(xiàn)了“歌焰”現(xiàn)象，將氣體火焰放在兩端開口的垂直管的合適位置，管中能夠激發(fā)出聲音，尤其是在管子的固有模態(tài)被激發(fā)時，更容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的聲音，這就是最早期的熱聲現(xiàn)象[21]。中科院理化所的肖家華博士將適用于駐波聲場的熱聲理論推廣到一般聲場，根據(jù)固體外壁面與外熱源不同的熱接觸情況，將熱聲效應(yīng)劃分為：等溫?zé)崧曅?yīng)、絕熱熱聲效應(yīng)和一般情形的熱聲效應(yīng)三種情況，并分別建立了一般聲場下等溫?zé)崧曅?yīng)和絕熱熱聲效應(yīng)的波動方程[22]，還對多孔介質(zhì)擾動場方程和波動方程進(jìn)行了推導(dǎo)，肖家華初步建立了回?zé)崾街评錂C(jī)熱聲理論框架，他的工作在當(dāng)時處于熱聲研究的國際領(lǐng)先水平，為我國的熱聲研究奠定了理論基礎(chǔ)。2.3.4數(shù)值模擬計算理論除了基于各種理論對制冷機(jī)理展開的定性分析，還有基于計算流體力學(xué)的數(shù)值模擬法，簡稱CFD，對脈管制冷機(jī)的回?zé)崞鞴ぷ鞅举|(zhì)進(jìn)行了定量研究。區(qū)別于傳統(tǒng)的熱力學(xué)分析法，CFD通過劃分網(wǎng)格，給定邊界條件，建立質(zhì)量、能量和動量守恒方程，建立離散化方程來求解，更具有一般性和通用性，能反映制冷機(jī)內(nèi)部實(shí)際工作過程和具體參數(shù)。（1）建立網(wǎng)格化模型。對一種制冷機(jī)模型進(jìn)行理論分析時，首先應(yīng)該建立該制冷機(jī)的幾何模型，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以方便對其進(jìn)行數(shù)值模擬和流動情況的分析。在創(chuàng)建模型時同樣要基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)和物理概念對其進(jìn)行構(gòu)造，劃分合適的網(wǎng)格數(shù)量等；（2）確定邊界條件。確定模型的各個部件名稱、壁面邊界、流體的進(jìn)出口邊界條件等，正確的設(shè)定邊界條件是進(jìn)行數(shù)值模擬計算的重要前提和成敗關(guān)鍵；（3）確定物理模型和離散化方程。對流體的狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定，是否為粘性、是否可壓縮、層流或湍流等，對流體方程進(jìn)行創(chuàng)建，能量方程、動量方程和質(zhì)量方程等都不可或缺。然后要將方程離散化，運(yùn)用有限差分法、有限元法、有限體積法等對方程進(jìn)行離散化；（4）流場求解計算。對數(shù)值模型的細(xì)致化參數(shù)設(shè)定，選擇計算方法，迭代方法、松弛系數(shù)等，使程序具有通用性和靈活性。

3利用Gambit創(chuàng)建網(wǎng)格模型3.1同軸型脈管制冷機(jī)模型結(jié)構(gòu)同軸型脈管制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由壓縮腔、主室溫?fù)Q熱器、回?zé)崞鳌⒗漕^、脈管、次水冷換熱器、膨脹腔組成，其中主室溫?fù)Q熱器、回?zé)崞?、冷頭、次水冷換熱器都是多孔介質(zhì)模型，回?zé)崞髦刑畛浯罅拷z網(wǎng)，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3.1。同軸型脈管制冷機(jī)將中空的脈管同軸布置在回?zé)崞髦行?，并與回?zé)崞鞯谋诿骜詈希弑诿骈g夾著一薄薄的壁面，其冷頭布置在末端，不僅結(jié)構(gòu)緊湊，減小了布置空間而且冷頭方便與其他結(jié)構(gòu)耦合獲取冷量。這種設(shè)計區(qū)別于直線型的脈管制冷機(jī)，冷頭設(shè)置在中間，兩端分別連接回?zé)崞骱兔}管，使得冷頭與其他設(shè)備耦合時有極大的局限性，同軸型卻極為方便。圖3.1同軸型脈管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.1為本文的同軸型脈管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，壓縮機(jī)連接著壓縮腔前端入口，膨脹腔出口連接慣性管和氣庫。將回?zé)崞骱兔}管部分進(jìn)行數(shù)值模擬計算，為計算方便，本文在脈管中心軸處進(jìn)行截取，采用二維模型將半個截面進(jìn)行幾何建模和數(shù)值模擬計算。圖3.2同軸型脈管制冷機(jī)截面示意圖表3.1同軸型脈管各部件結(jié)構(gòu)參數(shù)名稱尺寸壓縮腔直徑20mm,長度40mm主室溫?fù)Q熱器AHEX（線切割型）直徑20mm,長度30mm回?zé)崞鱎EG（絲網(wǎng)型）直徑20mm,長度34.5mm冷頭CHEX（線切割型）長度9.5mm脈管PT直徑10mm,長度54mm次水冷換熱器（絲網(wǎng)型）直徑10mm,長度6mm膨脹腔直徑10mm,長度15mm3.2Gambit軟件介紹Gambit軟件是用來進(jìn)行網(wǎng)格化模型的創(chuàng)建的，其主要功能包括幾何模型的構(gòu)建，模型劃分網(wǎng)格和邊界條件的命名。其最終創(chuàng)建出的網(wǎng)格化模型一般都是為了進(jìn)行數(shù)值模擬計算的，因此它可以認(rèn)為是數(shù)值模擬軟件Fluent的一個前處理軟件，當(dāng)然同樣為其他多種數(shù)值模擬軟件所服務(wù)。Gambit軟件的基本功能幾何建?？梢詫ΧS和三維模型進(jìn)行創(chuàng)建，二維模型即點(diǎn)線面的創(chuàng)建，三維模型即點(diǎn)線面體的創(chuàng)建。其創(chuàng)建幾何模型的操作較為基礎(chǔ)和簡單，深受許多人的喜歡。而它在劃分網(wǎng)格上網(wǎng)格能根據(jù)要求自動劃分一些網(wǎng)格，有良好的自適應(yīng)功能，使用靈活，劃分快速。對邊界和區(qū)域的命名可以使人直觀的認(rèn)知該網(wǎng)格模型，方便對之后的數(shù)值模擬分析進(jìn)行邊界條件的設(shè)定。此外，Gambit也可以導(dǎo)入其他軟件劃分的模型，如在CAD軟件中進(jìn)行復(fù)雜的三維模型創(chuàng)建，導(dǎo)入Gambit中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為數(shù)值模擬計算作基礎(chǔ)。當(dāng)然，與Gambit軟件擁有相同功能的軟件也有很多，如ICEMCFD、WorkbenchMeshing等，都可以進(jìn)行簡單快速地劃分網(wǎng)格，作為Fluent軟件的前處理軟件。3.3Gambit模型構(gòu)建本文的同軸型脈管制冷機(jī)采用建立二維模型去進(jìn)行數(shù)值模擬，因此幾何模型的創(chuàng)建可以由點(diǎn)到線，由線到面地進(jìn)行依次生成。因?yàn)橛心Ｐ偷木唧w結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以選取一處恰當(dāng)?shù)脑c(diǎn)坐標(biāo)，計算出該模型每一處節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)，然后在Gambit里根據(jù)坐標(biāo)參數(shù)創(chuàng)建出每一個節(jié)點(diǎn)，省時省力。然后直接通過點(diǎn)與點(diǎn)的連線直接來創(chuàng)建一條條直線，將所有直線創(chuàng)建成功，可以直接選定四條直線構(gòu)成一個面，最終將幾何模型的每個面都創(chuàng)建成功，得到了基本的幾何模型框架。圖3.3幾何模型框架圖該二維模型是關(guān)于x軸對稱的空間三維模型的截面示意圖，包括了回?zé)崞骱兔}管等各個部件和它們的壁面，而在回?zé)崞骱兔}管的耦合壁面處，有一夾層壁面，厚0.05mm，回?zé)崞骱兔}管壁面厚0.1mm，回?zé)崞骱兔}管通過耦合壁面可以進(jìn)行熱交換，本文主要研究這塊的耦合壁面對制冷機(jī)性能的影響。圖3.4回?zé)崞骱兔}管耦合壁面圖3.4Gambit網(wǎng)格劃分當(dāng)幾何建模完成后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在這個環(huán)節(jié)中，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，選用的單元類型等，都對模擬計算的結(jié)果至關(guān)重要。劃分網(wǎng)格需要每個區(qū)域逐個去進(jìn)行劃分，而在本文模型的同軸型脈管制冷機(jī)中，流體在流場中的流動受壁面邊界的限制，流體在靠近壁面時，速度的變化梯度很大，若壁面處的網(wǎng)格同其他區(qū)域網(wǎng)格一樣，則無法準(zhǔn)確捕捉這些速度。因此對壁面和各部件連接口進(jìn)行網(wǎng)格加密，設(shè)置更加稠密的網(wǎng)格。在劃分壁面邊界層網(wǎng)格時，首先要選定一處壁面的邊，邊界層方向朝著主流區(qū)域進(jìn)行劃分，然后確定邊界層共要劃分的總層數(shù)，第一層網(wǎng)格選取合適的厚度，每層網(wǎng)格增長的比例因子，使得壁面兩側(cè)向內(nèi)的邊界層網(wǎng)格留出一定空間的主流區(qū)域，在主流區(qū)域劃分平行網(wǎng)格。在本文的幾何模型中，壁面邊界層設(shè)置為24層，第一層網(wǎng)格厚度0.012mm，比例因子為1.15倍，厚度2.21mm。各部件連接處邊界層劃分方法同壁面邊界層相同，其設(shè)置為共劃分8層或6層，第一層網(wǎng)格厚度0.05mm，比例因子1.5倍，總厚度分別為2.4629mm和1.0391mm。劃分網(wǎng)格過程中可以通過網(wǎng)格復(fù)制等方法進(jìn)行其他區(qū)域的網(wǎng)格快速劃分，將每個區(qū)域的邊界層網(wǎng)格劃分完成后，對剩余的主流區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行填充即可。本文的網(wǎng)格全部為四邊形的正交網(wǎng)格，這樣的網(wǎng)格在模擬是有較高的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確率。圖3.5壁面邊界層網(wǎng)格劃分示意圖圖3.6部件連接處邊界層網(wǎng)格劃分示意圖圖3.7邊界層網(wǎng)格劃分示意圖圖3.8幾何模型網(wǎng)格劃分示意圖3.5Gambit邊界命名在完成模型的幾何建模和網(wǎng)格劃分后，還要對制冷機(jī)模型的各個邊界進(jìn)行命名，以及它的各個結(jié)構(gòu)部件區(qū)域包括壁面區(qū)域等進(jìn)行區(qū)域類型命名。本文所使用的Gambit軟件為2.4版本，其擁有默認(rèn)的求解器為Fluent5/6，可以直接應(yīng)用到后面的fluent數(shù)值模擬計算中。這一求解器提供了多種邊界類型，如圖3.9所示，一般較為常用的有壁面邊界、軸邊界、對稱邊界、速度邊界等，還有質(zhì)量流、壓力入口邊界和質(zhì)量流、壓力出口邊界。圖3.9邊界類型在本文的二維模型中，實(shí)體邊界為每條線，由于本文的二維模型只是三維模型截面的一半，為了實(shí)驗(yàn)方便快捷，只進(jìn)行這一半截面的數(shù)值模擬計算，它有一個中心軸，繞中心軸旋轉(zhuǎn)一周就是完整的三維結(jié)構(gòu)模型，因此將其設(shè)置為軸邊界。進(jìn)出口邊界沒有在這里進(jìn)行命名，會在UDF中進(jìn)行對其進(jìn)行命名和物性參數(shù)的設(shè)置。其他邊界都為壁面邊界，并對每條邊界依據(jù)模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行命名。Fluent求解器擁有Fluid和Solid兩種區(qū)域類型，在本文模型中，還需將工質(zhì)氦氣流通的各個區(qū)域進(jìn)行流體類型的指定，并將其它剩余的壁面和夾層壁面都設(shè)置為固體區(qū)域。對幾何模型的邊界和區(qū)域進(jìn)行命名，方便了在Fluent數(shù)值模擬中進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定。3.6Gambit網(wǎng)格質(zhì)量分析和導(dǎo)出Gambit軟件擁有網(wǎng)格質(zhì)量檢查的功能，選擇四邊形網(wǎng)格對本文模型進(jìn)行質(zhì)量分析，該同軸型脈管制冷機(jī)的網(wǎng)格數(shù)量共有20679個，其中每個網(wǎng)格的歪斜度指標(biāo)都在0到0.1之間，說明本文的網(wǎng)格模型質(zhì)量極好。網(wǎng)格文件的導(dǎo)出和保存也是非常必要的，在下一個環(huán)節(jié)的Fluent中進(jìn)行數(shù)值模擬時需要導(dǎo)入當(dāng)前所做的網(wǎng)格模型，其只能讀取Gambit的msh文件。當(dāng)網(wǎng)格劃分和邊界命名全部完成時，網(wǎng)格質(zhì)量也沒有問題，可以直接將msh文件導(dǎo)出進(jìn)行保存。另外可以將網(wǎng)格模型保存為dbs文件，將帶有邊界信息的網(wǎng)格模型存盤，方便之后進(jìn)行修改。

4Fluent數(shù)值模擬4.1Fluent軟件介紹Fluent軟件是用于對網(wǎng)格化的幾何模型進(jìn)行數(shù)值模擬計算的，包括流場流動、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)問題等都可以用Fluent進(jìn)行計算，功能全面，應(yīng)用普遍。Fluent軟件主要對于非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格進(jìn)行模擬，其功能有很多，它可以對多種前處理軟件的網(wǎng)格模型進(jìn)行導(dǎo)入，對于網(wǎng)格數(shù)量有極強(qiáng)大的支持能力，擁有非常實(shí)用的求解器，豐富的物理模型和多種求解計算方法，同時還自帶對計算結(jié)果的后處理功能，擁有UDF接口，方便用戶對物性參數(shù)進(jìn)行自定義，以符合計算要求。Fluent軟件的穩(wěn)定性好，計算精確度高，其強(qiáng)大的多重網(wǎng)格加速收斂能力使其計算能力及其強(qiáng)大，高效率的并行計算使得數(shù)值模擬計算速度快，高效省時。同時，它的應(yīng)用范圍涵蓋了幾乎所有的流體模擬計算領(lǐng)域，適用范圍廣泛。4.2Fluent參數(shù)設(shè)置4.2.1導(dǎo)入模型并檢查質(zhì)量將前處理軟件Gambit中的網(wǎng)格化模型導(dǎo)入，在Fluent中可以對模型進(jìn)行檢查網(wǎng)格質(zhì)量、數(shù)量等。其可以直觀地看出模型的相關(guān)參數(shù)，x、y軸的坐標(biāo)范圍，對體積的統(tǒng)計，面積區(qū)域的統(tǒng)計，包括最大和最小的二維單元體積，最大和最小的面積區(qū)域。若其所有值都為正值，則表明模型沒有錯誤，若最小體積值為負(fù)值時，即存在一個或多個單元有不合適的連通性。網(wǎng)格質(zhì)量的檢查，包括最小的一個正交網(wǎng)格質(zhì)量，質(zhì)量范圍從0到1，接近0的值為低質(zhì)量，而最大正交歪斜率則是接近1的值質(zhì)量最差，還有最大縱橫比也可以查看。本文模型網(wǎng)格數(shù)量為20679個，21821個節(jié)點(diǎn)。圖4.1Fluent軟件的模型結(jié)構(gòu)4.2.2求解器的設(shè)置Fluent軟件擁有基于壓力法的求解器、基于密度法的顯示和隱式求解器。本文模型的流體工質(zhì)為不可壓縮氦氣流體，因此對于求解器要選擇基于壓力法的求解器，本文的模型結(jié)構(gòu)決定了二維模型選擇軸對稱模型，流場求解計算要求速度公式選擇絕對速度，時間模型選擇為瞬態(tài)。4.2.3物理模型的設(shè)定在求解器設(shè)置完成后，根據(jù)要求解計算的問題，選擇合適的物理模型。本文只需選擇能量方程和湍流模型進(jìn)行求解計算即可。在能量模型設(shè)定面板只需要激活能量方程，允許Fluent進(jìn)行能量方程計算即可。Fluent軟件的提供湍流模型內(nèi)包含了許多模型，其中最常用的是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，而本文的流動計算受到壁面限制，因此選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型，其對于近壁區(qū)的計算效果優(yōu)異，擁有較好的精度和穩(wěn)定性。圖4.2湍流模型分類4.2.4材料的設(shè)定在進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬的過程中，物性參數(shù)的設(shè)置十分關(guān)鍵的一步，因?yàn)樵谘芯磕Ｐ椭?，每一處都需要設(shè)置不同的材料，包括各處壁面的固體材料和管內(nèi)流動的流體。在物性參數(shù)設(shè)置的材料面板中只有系統(tǒng)默認(rèn)的流體材料空氣和固體材料鋁，因此我們需要自己新建材料并進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定。本文模型所需要的一些材料，首先便是在管內(nèi)流動的流體氦氣，在膨脹腔、壓縮腔、回?zé)崞鳌⒚}管、次水冷換熱器的壁面材料都需要不銹鋼材料，在主室溫?fù)Q熱器和冷頭壁面處需要銅材料。而在夾層壁面處根據(jù)本文需要，設(shè)置三種不同導(dǎo)熱率的不銹鋼材料，進(jìn)行對比。在主室溫?fù)Q熱器和次水冷換熱器中的填充材料則設(shè)置另外的不銹鋼和銅。材料的物性參數(shù)有很多，包括密度和分子量、粘度、比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)、質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的焓、分子動力論參數(shù)。對于氦氣這一流體來說，需要設(shè)置較多的參數(shù)，如密度、比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)、粘度、分子量都要設(shè)定。氦氣的密度可以直接將其設(shè)定為理想氣體，比熱和分子量不進(jìn)行更改，使用fluent中氦氣的默認(rèn)值，對于氦氣的熱傳導(dǎo)系數(shù)和粘度利用UDF進(jìn)行編寫。對于不銹鋼和銅的固體材料只需要設(shè)定其密度、比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)即可，密度是材料的默認(rèn)密度值，熱傳導(dǎo)系數(shù)通過UDF進(jìn)行編寫，方便對不同的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行設(shè)置。4.2.5邊界條件的設(shè)定（1）單元區(qū)域條件設(shè)定單元區(qū)域即模型所有結(jié)構(gòu)的各個面，包括膨脹腔、壓縮腔、回?zé)崞?、脈管、冷頭、主室溫?fù)Q熱器、次水冷換熱器，以及它們的壁面，尤其是耦合壁面處的三層壁面，脈管壁面，回?zé)崞鞅诿婧投弑诿嬷g的夾層壁面，都需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。同軸脈管制冷機(jī)模型各個部件需要進(jìn)行材料設(shè)置和多孔介質(zhì)模型設(shè)置。其材料指的是通過各區(qū)域的流體材料，本文模型所有結(jié)構(gòu)只流通氦氣，因此將所有區(qū)域的材料設(shè)置為流體氦氣。多孔介質(zhì)模型需要對主室溫?fù)Q熱器、回?zé)崞?、冷頭、次水冷換熱器四個區(qū)域進(jìn)行設(shè)置。孔隙率、粘性阻力系數(shù)、慣性阻力系數(shù)為多孔介質(zhì)模型的主要設(shè)置參數(shù)，回?zé)崞骱痛嗡鋼Q熱器管內(nèi)填充絲網(wǎng)，分別為新型的不銹鋼絲網(wǎng)和新型的銅絲網(wǎng)，材料設(shè)定處已將其創(chuàng)建完成，0.2倍導(dǎo)熱系數(shù)的新型不銹鋼和0.2倍導(dǎo)熱系數(shù)的新型銅，可將其導(dǎo)入此處回?zé)崞骱痛嗡鋼Q熱器的填充材料。各個部件都有不同的孔隙率、粘性阻力系數(shù)、慣性阻力系數(shù)，具體參數(shù)如下表所示。多孔介質(zhì)段為層流模型，除換熱器，所有固壁面邊界均為絕熱，多孔介質(zhì)熱平衡模型TE，換熱器固壁定溫度。在多孔介質(zhì)模型的設(shè)置中，粘性阻力系數(shù)(1/K)和慣性阻力系數(shù)C2是兩個十分重要的參數(shù)，對數(shù)值模擬計算的結(jié)果有很大的影響，因?yàn)榛責(zé)崞骱蛽Q熱器的阻力特性就是由它決定。計算公式如下：f=(dp/dx)d?dP?d1/K=AC2=各部件壁面區(qū)域的設(shè)定主要是進(jìn)行壁面材料的確定，本文模型中，除主室溫?fù)Q熱器壁面和冷頭壁面采用銅材料外，其他的壁面均采用不銹鋼材料。而在本文的研究中，不同導(dǎo)熱率的耦合壁面材料對徑向換熱的影響，所需要進(jìn)行耦合壁面材料的設(shè)置，就在單元區(qū)域設(shè)定。耦合壁面的三層壁面只需改變夾層壁面的導(dǎo)熱率，回?zé)崞骱兔}管間的換熱將會大大影響，因此需要對夾層壁面材料分別設(shè)置三次，1倍導(dǎo)熱率、100倍導(dǎo)熱率、0.001倍導(dǎo)熱率進(jìn)行不同的數(shù)值模擬計算，對三種不同的導(dǎo)熱率材料進(jìn)行對比分析。表4.1多孔介質(zhì)模型設(shè)置部件孔隙率ε多孔介質(zhì)模型粘性阻力系數(shù)1/K(1/m2)慣性阻力系數(shù)C2(1/m)主室溫?fù)Q熱器AHEX0.21固壁300K,TE,dh=0.25mm軸向：914285714.29垂直軸向：914285714.290回?zé)崞鱎EG0.6622TE,導(dǎo)熱修正ακ=0.2,18微米絲徑不銹鋼絲網(wǎng)軸向：121792481948.67垂直軸向：81918856704.87軸向：87247.58垂直軸向：48858.64冷頭CHEX0.1667固壁77K,TE,dh=0.2mm軸向：4497751124.44垂直軸向：4497751124.440次水冷換熱器SHEX0.6974固壁300K,TE，40目紫銅絲網(wǎng)，230微米絲徑軸向：465967574.49垂直軸向：313414509.28軸向：5064.963垂直軸向：2836.379換熱器阻力參考f=96/Re;回?zé)崞?、?dǎo)流層阻力參考f=200.837/Re+1.35;f=135.085/Re+0.756邊界區(qū)域條件設(shè)定本文模型中，首先正確定義軸邊界的位置，它是脈管與回?zé)崞黢詈媳诿嫣幍牧硪粋?cè)，它并不是真實(shí)存在的壁面，繞軸邊界旋轉(zhuǎn)一周是完整的環(huán)形回?zé)崞髋c脈管，為脈管的中心軸。本文流體入口邊界條件為質(zhì)量流入口，其質(zhì)量流模型導(dǎo)入UDF自定義的質(zhì)量流入口條件；流體出口邊界條件為壓力流出口，同樣導(dǎo)入UDF中自定義的壓力流出口條件。依次設(shè)置各個壁面邊界和單元區(qū)邊界的材料、溫度等，主室溫?fù)Q熱器壁面和冷頭壁面邊界材料為銅，其余都為不銹鋼材料，冷頭邊界溫度為77K，主室溫?fù)Q熱器和次水冷換熱器壁面邊界溫度300K，所有固壁面邊界均為絕熱。關(guān)于本文耦合壁面特性對進(jìn)行換熱的影響，需要進(jìn)行的對脈管內(nèi)面邊界不同的粗糙度是否影響制冷機(jī)性能，其影響有多大這一研究，需在此進(jìn)行脈管與回?zé)崞黢詈媳诿嫣幟}管管道內(nèi)面邊界進(jìn)行不同粗糙度的設(shè)定，由于回?zé)崞鳛槎嗫捉橘|(zhì)模型，并填充絲網(wǎng)，所以不需要更改粗糙度。脈管壁面材料為不銹鋼，其粗糙度值范圍在0.02到0.1之間，一般的不銹鋼材料粗糙度為0.046。本文將對比粗糙度為0.02的脈管壁和0.1的脈管壁以及完全光滑的脈管壁面對制冷機(jī)性能產(chǎn)生的影響。4.3UDF編寫和導(dǎo)入UDF是用戶自編的C語言程序，其函數(shù)使用DEFINE宏來定義，可以動態(tài)鏈接到Fluent解算器中。因此經(jīng)常用來對Fluent中的數(shù)值模型進(jìn)行邊界條件、材料物性進(jìn)行自定義，甚至能夠修改計算模型，計算中調(diào)節(jié)計算值。加載UDF后，與UDF的鏈接會記錄在case文件中。UDF中要對本文模型的質(zhì)量流入口、壓力流出口的進(jìn)行定義。對于材料的定義包括流體氦氣的定義，對其導(dǎo)熱系數(shù)、粘度的進(jìn)行自定義。由于導(dǎo)熱系數(shù)在模擬計算時會受溫度的影響而變化，因此必須要在UDF中對其進(jìn)行自定義，最后將其解釋或編譯到Fluent中。對于固體不銹鋼和銅，要對它們定義不同的導(dǎo)熱系數(shù)，對銅材料要通過公式定義出原本的導(dǎo)熱系數(shù)值，以及自定義0.2倍大小的導(dǎo)熱系數(shù)的新材料銅，不銹鋼材料同樣要定義出其導(dǎo)熱系數(shù)并自定義0.2倍，0.001倍，100倍大小的導(dǎo)熱系數(shù)，其中0.001倍和100倍大小的導(dǎo)熱系數(shù)新不銹鋼材料是為了設(shè)定夾層壁面，研究不同導(dǎo)熱率的耦合壁面最終對制冷機(jī)性能的影響。質(zhì)量流入口邊界條件F_PROFILE(f,thread,position)=2*M_PI*100*5.68e-3*5.624*sin(2*M_PI*100*t)壓力流出口邊界條件F_PROFILE(f,thread,position)=293600*sin(2*M_PI*100*t-1.035796327)關(guān)于UDF對Fluent動態(tài)連接有兩種方式：解釋函數(shù)和編譯函數(shù)。解釋函數(shù)是通過Fluent中的解釋器進(jìn)行解釋，無需另行安裝C編譯器，較為便捷。有源代碼和速度方面的限制，用于簡單函數(shù)，例如壓力進(jìn)出口、速度入口邊界條件定義，非比熱物性等。而比熱和動網(wǎng)格邊界所采用宏不能用解釋型導(dǎo)入，要利用編譯函數(shù)進(jìn)行編譯，執(zhí)行較快，沒有源代碼限制，但是它需要安裝C編譯器，將其文件加載到Fluent進(jìn)行編譯，解釋型UDF也可以通過編譯型導(dǎo)入。4.4Fluent運(yùn)行計算在開始進(jìn)行計算求解前，必須為流場設(shè)定初始值。選擇標(biāo)準(zhǔn)初始化，并對全局進(jìn)行初始化條件設(shè)定，初始值包括表壓，軸向速度，徑向速度，湍流動能，比耗散率和溫度。將全區(qū)域溫度設(shè)為300K，進(jìn)行初始化。在回?zé)崞骱兔}管設(shè)置線性溫度梯度，從主室溫?fù)Q熱器和次水冷換熱器到冷頭，使其溫度實(shí)現(xiàn)由300K到77K的線性溫降，將冷頭溫度設(shè)置為77K。邊界條件和初始化條件等一切條件都設(shè)置完成后，需進(jìn)行求解設(shè)置。本文模型操作壓力為3.5MPa,頻率為100Hz，時間步長大小為0.0001s，需要求解的時間步數(shù)為20000，每個時間步內(nèi)的最大迭代計算次數(shù)為20次。設(shè)置完成后，則可以開始進(jìn)行數(shù)值模擬運(yùn)行計算。圖4.3初始化溫度云圖圖4.4計算過程中的殘差圖圖4.5計算中的溫度云圖4.5分析結(jié)果對回?zé)崞骱兔}管分別設(shè)置5個監(jiān)測點(diǎn)，對回?zé)崞骱兔}管的溫度、壓力、聲功和焓流進(jìn)行監(jiān)測，另外對主室溫?fù)Q熱器、次水冷換熱器也進(jìn)行溫度、壓力、聲功、焓流以及速度的監(jiān)測，對冷頭壁面進(jìn)行熱流的監(jiān)測，還有對進(jìn)出口進(jìn)行壓力和速度的監(jiān)測。對Fluent數(shù)值模型計算40萬步后，比較這200個周期的后50，其收斂并穩(wěn)定，于此基礎(chǔ)上再次進(jìn)行10個周期的運(yùn)行計算，得出對以上監(jiān)測點(diǎn)所對應(yīng)的監(jiān)測值，對結(jié)果進(jìn)行整理和分析。不同導(dǎo)熱率的耦合壁面對徑向換熱的影響表4.2材料導(dǎo)熱率的設(shè)置項(xiàng)目位置材料導(dǎo)熱率W/（m?℃）備注Case1耦合壁面夾層薄壁不銹鋼k隨溫度提高導(dǎo)熱率增大Case2耦合壁面夾層薄壁不銹鋼100kCase3耦合壁面夾層薄壁不銹鋼0.001k同軸型脈管制冷機(jī)中的工質(zhì)氦氣在脈管和回?zé)崞髦辛魍?，其存在沿軸向的溫度梯度，與直線型結(jié)構(gòu)相比，同軸型脈管和回?zé)崞黢詈媳诿嫣幹挥幸粚颖”〉牟讳P鋼壁面，那么就存在回?zé)崞骱兔}管之間的徑向換熱，如此便會影響制冷機(jī)的性能。如圖4.6到圖4.8為耦合壁面處三種不同的不銹鋼薄壁，回?zé)崞骱兔}管的溫度梯度沿軸向位置的變化。從圖中可以看出case1（1倍導(dǎo)熱率）的回?zé)崞骱兔}管溫度梯度曲線極為靠近，徑向換熱效果明顯。與之相比，case2（100倍導(dǎo)熱率）的回?zé)崞骱兔}管溫度梯度曲線同樣溫差極小，說明導(dǎo)熱率的增大對徑向換熱的影響并不是很大，微小地促進(jìn)了徑向換熱。而case3（0.001倍導(dǎo)熱率）的回?zé)崞骱兔}管溫度梯度曲線的溫差，相比之前兩組數(shù)據(jù)更大，說明導(dǎo)熱率的減小對徑向換熱效果有所削弱。綜上所述，1倍導(dǎo)熱率的不銹鋼材料其脈管和回?zé)崞鞯膹较驌Q熱作用較強(qiáng)，溫度梯度曲線非?？拷瑴夭钚?；增大到100倍的導(dǎo)熱率時，徑向換熱作用已經(jīng)極難有很大的增強(qiáng)，因此其溫度梯度曲線與1倍導(dǎo)熱率曲線相仿；而減小到0.001倍的導(dǎo)熱率對徑向換熱作用減小，溫差變大。圖4.6耦合壁面材料為case1的溫度梯度圖4.7耦合壁面材料為case2的溫度梯度圖4.8耦合壁面材料為case3的溫度梯度如圖4.10為三種導(dǎo)熱率材料其回?zé)崞鳒囟入S位置變化的曲線，在回?zé)崞髦袦囟葧S著氦氣流通方向而不斷減小，并且看出隨著耦合壁面導(dǎo)熱率的改變，對回?zé)崞髦械臏囟忍荻葲]有影響。如圖4.12為三種導(dǎo)熱率材料其脈管中的溫度梯度分布，在脈管中溫度會隨位置的軸向加深而愈發(fā)減小，也認(rèn)為隨著氦氣流通方向而溫度增大。并且耦合壁面材料導(dǎo)熱率的變化會使脈管溫度梯度有所變化，導(dǎo)熱率較高的case1和case2溫度梯度較高且接近，case3為0.001倍的導(dǎo)熱率，其脈管溫度較低，說明回?zé)崞鲗γ}管的換熱效果較差，材料導(dǎo)熱率確實(shí)影響了回?zé)崞骱兔}管的換熱。圖4.9不同耦合壁面材料導(dǎo)熱率的回?zé)崞髦袦囟忍荻葓D4.10不同耦合壁面材料導(dǎo)熱率的脈管中溫度梯度如圖4.11為在三種不同的導(dǎo)熱率耦合壁面材料的影響下，回?zé)崞骱兔}管中的聲功曲線，由圖可以看出，在回?zé)崞髦?，聲功會隨著軸向位置的增大而減小，由開始的100W聲功下降到了25W左右。而脈管的聲功會隨著軸向位置的變化而比較穩(wěn)定，增長微小，即氦氣在脈管中流出時，聲功微弱減小。圖4.11不同導(dǎo)熱率的回?zé)崞骱兔}管中的聲功如圖4.12為在三種不同的導(dǎo)熱率耦合壁面材料的影響下，回?zé)崞骱兔}管中的焓流曲線，由圖可以看出，脈管中的焓流會有很大的波動，而且導(dǎo)熱率更小的耦合壁面材料影響回?zé)崞骱兔}管換熱，脈管焓流變化相對更大，而回?zé)崞髦徐柿髑€相對穩(wěn)定，稍微有所增長。圖4.12不同導(dǎo)熱率的回?zé)崞骱兔}管中的焓流表4.3不同導(dǎo)熱率的制冷機(jī)制冷量項(xiàng)目導(dǎo)熱率W/（m?℃）Qcold1/WQcold2/WQcold3/W制冷量WCase1k-3.020.002414.4811.46Case2100k-3.060.002414.5011.44Case30.001k-2.350.002614.3211.98根據(jù)對三種不同導(dǎo)熱率材料情況下對冷端制冷量的計算，得出的結(jié)果如表4.3，case3制冷量最多為11.98W，case1和case2的制冷量為11.46W和11.44W，二者制冷量接近。得出耦合壁面導(dǎo)熱率越小，徑向換熱作用越差時，制冷量越多，制冷機(jī)性能越好。不同的脈管壁粗糙度對徑向換熱的影響表4.4材料粗糙度的設(shè)置項(xiàng)目位置材料粗糙度/mm備注Case4脈管內(nèi)壁面不銹鋼0.02新鋼管取值在0.02-0.1mmCase5脈管內(nèi)壁面不銹鋼0.1Case6脈管內(nèi)壁面不銹鋼0如圖4.13到4.15為三種不同的脈管壁粗糙度，回?zé)崞骱兔}管溫度梯度沿軸向位置的變化。在三個粗糙度項(xiàng)目的溫度梯度圖像中，脈管和回?zé)崞髑€都很靠近，溫差很小，并且三者徑向換熱作用都很接近，說明脈管粗糙度對徑向換熱的影響不是很大。但是粗糙度為0.02和粗糙度為0.1的脈管壁與粗糙度為0的脈管壁進(jìn)行溫度梯度比較時，光滑壁面的溫度梯度曲線溫差更小，回?zé)崞骱兔}管的換熱效果更好。圖4.13脈管壁粗糙度case4的溫度梯度圖4.14脈管壁粗糙度case5的溫度梯度圖4.15脈管壁粗糙度case6的溫度梯度如圖4.16為比較三種脈管壁粗糙度的回?zé)崞鳒囟忍荻鹊那€，結(jié)果發(fā)現(xiàn)無論是光滑的脈管壁還是或大或小的粗糙度脈管壁，其對回?zé)崞髦械臏囟忍荻葲]有影響，都隨著軸向位置的增加而減小。圖4.17中三種脈管壁粗糙度的脈管溫度梯度的曲線同樣如此，粗糙度對脈管溫度梯度的影響很小，也能看出光滑壁面的脈管中溫度最高。圖4.16不同脈管壁粗糙度的回?zé)崞鳒囟忍荻葓D4.17不同脈管壁粗糙度的脈管溫度梯度如圖4.18是三種不同的粗糙度脈管壁面對回?zé)崞骱兔}管中聲功的影響，從圖中可以看出回?zé)崞髦械穆暪η€隨軸向位置的深入而減小，脈管中的聲功曲線較為平穩(wěn)，隨聲功曲線的深入只是略微增加，由于脈管中氦氣流通方向與x軸相反，因此脈管的聲功隨氦氣的流出而略微減小?；?zé)崞髦械穆暪Υ蠹s從105W左右下降到25W左右，脈管聲功溫度在20W左右，并且脈管壁粗糙度為0的case6實(shí)驗(yàn)在回?zé)崞骱兔}管中的聲功曲線都要略高于其兩種情況。圖4.18不同的脈管壁粗糙度回?zé)崞骱兔}管中的聲功如圖4.19為三種不同的粗糙度脈管壁面對回?zé)崞骱兔}管中焓流的影響，在回?zé)崞髦腥N粗糙度的焓流曲線都較為接近，并且都隨軸線位置的增長而增長，但是粗糙度為0的case6光滑脈管壁其回?zé)崞髦徐柿魅砸源笥谄渌麅煞N粗糙度的情況，說明脈管壁的粗糙度對于回?zé)崞黛柿鞯挠绊懞苄　６}管中的焓流情況有些不同，粗糙度為0的case6實(shí)驗(yàn)脈管焓流值比粗糙度為0.02的case4實(shí)驗(yàn)和粗糙度為0.1的case5實(shí)驗(yàn)都要大，而case4和case5二者脈管焓流幾乎一致，說明光滑脈管壁對焓流影響更大。三者焓流曲線都在波動，case6焓流值隨軸向位置深入而稍有增長，其他粗糙度的焓流曲線向下波動減小。圖4.19不同的脈管壁粗糙度回?zé)崞骱兔}管中的焓流表4.5不同粗糙度的制冷機(jī)制冷量項(xiàng)目粗糙度/mmQcold1/WQcold2/WQcold3/W制冷量/WCase40.02-3.130.002414.5111.38Case50.1-3.150.002414.5211.37Case60-3.020.002414.4811.46如表4.5根據(jù)對三種不同粗糙度脈管情況下對冷端制冷量的計算，脈管粗糙度為0.02和0.1的制冷機(jī)制冷量為11.38W和11.37W，極為接近，而光滑脈管壁的制冷機(jī)制冷量為11.46W，三種情況下制冷量最高，得出粗糙度越小時，制冷量越多，制冷機(jī)性能越好。5結(jié)論本文主要介紹了脈管制冷機(jī)的發(fā)展、應(yīng)用和機(jī)理理論等，并對同軸型的脈管制冷機(jī)進(jìn)行深入探究，研究同軸型脈管制冷機(jī)回?zé)崞骱兔}管耦合壁面對徑向換熱的影響，通過對制冷機(jī)的理解使用Gambit進(jìn)行幾何模型的創(chuàng)建和網(wǎng)格劃分，利用Fluent軟件進(jìn)行設(shè)置，對同軸脈管制冷機(jī)氦氣流通情況進(jìn)行模擬，分析制冷機(jī)中的溫度分布，回?zé)崞骱兔}管的溫度梯度、壓力、聲功、焓流等情況，以及冷端制冷量的統(tǒng)計，得出制冷機(jī)的制冷性能。本文進(jìn)行了耦合壁面導(dǎo)熱率和粗糙度的改變對徑向換熱的影響兩項(xiàng)研究。在回?zé)崞髋c脈管耦合壁面夾層薄壁材料改變了三種導(dǎo)熱率，探究耦合壁面的導(dǎo)熱率對制冷機(jī)性能影響。三組項(xiàng)目分別是同種材料不銹鋼薄壁的1倍導(dǎo)熱率、100倍導(dǎo)熱率和0.001倍導(dǎo)熱率，模擬發(fā)現(xiàn)0.001倍導(dǎo)熱率的情況接近絕熱，脈管和回?zé)崞鞯膿Q熱效果較差，溫度梯度溫差大，得出的制冷量最大；而導(dǎo)熱率高的兩組脈管和回?zé)崞鳒囟忍荻榷己芙咏?，制冷量較小。最終發(fā)現(xiàn)耦合壁面導(dǎo)熱率越低，換熱效果差的，損失小，制冷量最大，制冷機(jī)性能也越好。（2）探究耦合壁面粗糙度對換熱的影響，本文對脈管內(nèi)壁進(jìn)行了粗糙度設(shè)置，環(huán)形回?zé)崞饔捎趦?nèi)部填充材料，無須對其粗糙度進(jìn)行設(shè)置。本文對不銹鋼材料的脈管壁分別設(shè)置了其粗糙度范圍的最小粗糙度0.02和最大粗糙度0.1的情況，以及還有粗糙度為0的光滑脈管壁這三種情況進(jìn)行比較分析。由模擬結(jié)果得知，粗糙度的不同對于回?zé)崞骱兔}管的徑向換熱影響并不大，但還是粗糙度較小的制冷機(jī)性能更優(yōu)異，制冷量最多，因此對脈管壁進(jìn)行加工時盡量使其內(nèi)壁光滑。參考文獻(xiàn)[1]W.E.Gifford,R.C.Longsworth.Pulsetuberefrigeration.JournalofEngineeringforIndustry-TransactionsoftheASME,1967(86):264-270.[2]E.I.Mikulin,A.A.Tarasov,M.P.Shkrebyonock.Low-temperatureexpansionpulsetubes.AdvancesinCryogenicEngineering.1984:629-637.[3]R.Radebaugh,J.E.Zimmerman,D.R.Smith,