發(fā)布時間：2020-04-18 00:20

【摘要】：近年來空間科學(xué)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展,對空間探測器的性能要求日益提高,而空間探測器的低溫環(huán)境對其性能優(yōu)劣有重要的影響,這就對廣泛應(yīng)用于空間制冷場景的脈管制冷機的性能和效率有了更高要求。換熱器作為脈沖管制冷機的關(guān)鍵部件之一,其性能的好壞直接影響制冷機的制冷性能,因而研究換熱器內(nèi)流體的流動和換熱,對設(shè)計和優(yōu)化脈管制冷機有重要作用。本研究將計算流體力學(xué)的數(shù)值模擬與熱線風(fēng)速儀的實驗測量相結(jié)合,通過建立換熱器內(nèi)部流體的三維模型獲得其內(nèi)部流場的詳細信息,用以研究換熱器結(jié)構(gòu)對換熱器性能的影響規(guī)律。本文對脈管制冷機脈沖管熱端換熱器內(nèi)部流體開展如下幾個方面的研究:首先,闡述數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)及其優(yōu)勢,通過分析探究仿真對于研究兩種換熱器內(nèi)部流動情況的差異的可行性及換熱器性能評價標(biāo)準(zhǔn),給出了CFD數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)及實現(xiàn)途徑。其次,搭建了應(yīng)用Streamline Pro熱線風(fēng)速儀測量換熱器內(nèi)部速度分布的實驗系統(tǒng),在一臺6W@90K的可拆卸脈管制冷機上開展了脈沖管熱端換熱器內(nèi)部流動的實驗研究。然后,針對兩種不同結(jié)構(gòu)的換熱器,在相同工況下兩個相同空間坐標(biāo)點的速度時序曲線進行數(shù)值模擬與實驗測量,對比了兩種換熱器的速度分布情況,對比分析了兩種換熱器的兩個特定點位置的速度時序曲線在數(shù)值模擬與實驗測量中的差異,并對此差異產(chǎn)生的可能原因進行了分析;仿真模擬結(jié)果和實驗結(jié)果均驗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,同時用實驗證實了仿真模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性及仿真方法的正確性,為換熱器的設(shè)計和優(yōu)化提供仿真分析及實驗驗證方法,具有重要的參考價值。最后,對未來工作進行展望,隨著仿真模型的精確性提升,數(shù)值仿真模擬結(jié)果將更接近實際情況,同時隨著對熱線風(fēng)速儀應(yīng)用工況范圍的擴大和相關(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一步的發(fā)展和完善,實驗結(jié)果也將更加符合實際,實驗研究將會更加準(zhǔn)確。
【圖文】：

并應(yīng)用熱線風(fēng)速儀對該監(jiān)測點的速度進行實驗測量，，測量出速度的徑向分布，對流體內(nèi)部信息的獲取更加細致準(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)抑制射流進而優(yōu)化制冷機性能的積極作用。冷機換熱器簡介-1 為一臺直線型脈沖管制冷機的整機結(jié)構(gòu)圖。直線型脈管制冷機管 5 內(nèi)的氣體不斷往復(fù)振動，高、低壓氣體在脈沖管內(nèi)部周期地得制冷機獲得制冷效果。其制冷過程是：由往復(fù)式壓縮機 1 產(chǎn)高壓氣體經(jīng)過回?zé)崞鳠岫藫Q熱器 2 進入回?zé)崞?3，在回?zé)崞?3 中端換熱器 4 進入脈沖管 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)相機構(gòu)由慣性管 7 和氣庫 8 組成，化整個系統(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行對比研究，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)果對設(shè)計應(yīng)用于不同類型冷卻液時，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)的空氣流量對散熱器的傳熱效率影響比較大，而高壓側(cè)空氣流量對制冷量的影響比較大。在混合制冷劑單級低溫循環(huán)，換熱器的傳熱性能的實驗研究中，南方科技大學(xué)的 Le Cao, Jinping Liu, Rixin Li, Shizhe Huang, Fayong Zhang, XiongwenXu[13]對混合制冷機中，孔板式換熱器(PFHE)的傳熱性能進行研究。建立了一種單級低溫循環(huán)使用的商業(yè)壓縮機和定制 PFHE 的實驗裝置，研究了整個冷卻過程中 PFHE 的傳熱性能。通過實驗獲得制冷溫度低至 160°C。并分析了在冷卻的過程中，溫度差值是如何變化的。同時選取了 5 組凝聚相關(guān)系數(shù)和 13組流動沸騰相關(guān)系數(shù)來預(yù)測半尺式換熱器 PFHE 中的換熱系數(shù) HTC。同時，對混合制冷劑低溫系統(tǒng)中 PFHE 的設(shè)計提出了一些建議。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)式計算值與實驗值的對比曲線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)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB651

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本文編號：2631484