伴隨著高溫超導(dǎo)技術(shù)的快速發(fā)展,可在液氮溫區(qū)提供百瓦以上制冷量的大功率脈管制冷機(jī)因其低振動(dòng),高可靠性,長壽命的特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。在脈管制冷機(jī)的傳統(tǒng)理論中,金屬絲網(wǎng)通常作為制冷機(jī)最為重要的回?zé)崽盍隙谎芯?但關(guān)注其流動(dòng)均布特性的相關(guān)研究并不豐富。事實(shí)上,在大功率脈管制冷機(jī)內(nèi)部,由于存在有顯著的多維非均勻流動(dòng)現(xiàn)象,金屬絲網(wǎng)在制冷機(jī)不同部位發(fā)揮出了截然不同的重要功能,其對(duì)流動(dòng)均布的貢獻(xiàn),尤其是對(duì)大功率脈管制冷機(jī)而言影響顯著,甚至關(guān)系到制冷機(jī)是否能夠降溫。本文專注于回?zé)崞鲀?nèi)與脈管兩端的金屬絲網(wǎng),針對(duì)其功熱轉(zhuǎn)換與流動(dòng)均布的兩大功效,開展了以回?zé)崽盍霞爸评錂C(jī)性能的快速判斷和脈管內(nèi)部流場均布的專題研究。具體開展工作如下：1.基于回?zé)釗p失機(jī)理及回?zé)崽盍系臒崃W(xué)分析,提出了可表征金屬絲網(wǎng)等回?zé)崽盍闲阅艿幕責(zé)嵝阅芟禂?shù)Rf,為篩選回?zé)崽盍稀㈩A(yù)測(cè)制冷機(jī)性能提供了一種簡潔高效的方法。研究系統(tǒng)分析了脈管制冷機(jī)回?zé)崞鲀?nèi)部在理想狀態(tài)和實(shí)際情況下的能量流動(dòng)情況,總結(jié)了回?zé)崞鲀?nèi)的主要損失機(jī)理及其對(duì)應(yīng)于不同頻率和工作溫區(qū)所表現(xiàn)出的不同權(quán)重�；趯�(duì)回?zé)崞鲹p失機(jī)理及回?zé)崽盍系臒崃W(xué)分析,推導(dǎo)出可反映熱滲透深度與填料比熱性質(zhì)的有效熱容Ca,并進(jìn)一步推導(dǎo)出可表征回?zé)崽盍系幕責(zé)嵝阅芟禂?shù)Rf,此系數(shù)與前人工作相比的優(yōu)勢(shì)在于,除了考慮回?zé)崽盍系牧鲃?dòng)阻力和換熱性能之外,加入了有效熱容對(duì)于其回?zé)嵝阅艿挠绊?能夠更加精確地反映不同回?zé)崽盍匣責(zé)崽匦缘南鄬?duì)優(yōu)劣。借助制冷機(jī)仿真軟件SAGE和單級(jí)脈管制冷機(jī)實(shí)驗(yàn),本文從數(shù)值上和實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了Rf在77K溫區(qū)的可靠性,能夠有效分辨出性能差異3%的回?zé)崽盍?為將來應(yīng)用于快速判斷填充有不同回?zé)崽盍系拿}管制冷機(jī)性能做出了有益嘗試。2.借助CFD方法驗(yàn)證了金屬絲網(wǎng)對(duì)于回?zé)崞鲀?nèi)非均勻流動(dòng)的誘發(fā)作用,探討了金屬絲網(wǎng)在直流流動(dòng)與交變流動(dòng)下對(duì)于脈管內(nèi)流場的均布特性。對(duì)于回?zé)崞鲀?nèi)的非均勻流動(dòng),本文首次借助CFD方法驗(yàn)證了回?zé)崽盍系姆蔷鶆蚩紫堵蕦?duì)于回?zé)崞鲀?nèi)非均勻流動(dòng)的誘發(fā)作用。對(duì)于脈管內(nèi)的射流效應(yīng),本文借助CFD搭建了三維全尺寸模型,對(duì)比了直流流動(dòng)與交變流動(dòng)下射流的特點(diǎn),探索了交變流動(dòng)下整流層長度對(duì)于射流效應(yīng)的抑制效果,并討論了整流層厚度對(duì)于射流效應(yīng)抑制效果的影響。3.基于全局優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)搭建了脈管制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái),開展了制冷機(jī)與壓縮機(jī)的阻抗匹配、脈管內(nèi)部流動(dòng)均布和回?zé)嵝阅芟禂?shù)驗(yàn)證等實(shí)驗(yàn)研究。本文提出了基于SAGE的脈管制冷機(jī)全局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)了一臺(tái)運(yùn)行壓力2.5MPa,頻率60Hz,設(shè)計(jì)目標(biāo)為650W@77K的大功率單級(jí)斯特林型脈管制冷機(jī),輸入功率10kW。全局優(yōu)化方法有效減少了仿真軟件的計(jì)算量,提高了設(shè)計(jì)效率；借助SAGE完成了壓縮機(jī)與制冷機(jī)之間傳輸管的優(yōu)化,將壓縮機(jī)諧振頻率自100Hz以上降低至67.3Hz,提高了壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)頻率上的輸出效率；通過優(yōu)化慣性管出口與冷端換熱器出口的絲網(wǎng)整流層參數(shù),抑制了來自慣性管和冷端換熱器狹縫的射流流動(dòng),制冷機(jī)制冷溫度從280K降低至86.01K；通過對(duì)燒結(jié)絲網(wǎng)、400目和500目金屬絲網(wǎng)進(jìn)行不同比例的組合,使得制冷機(jī)最低制冷溫度進(jìn)一步下降至78.9K,與Rf對(duì)不同絲網(wǎng)組合的預(yù)測(cè)結(jié)果吻合良好,驗(yàn)證了Rf在77K溫區(qū)的可靠性。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TB651
【部分圖文】：

高溫超導(dǎo)技術(shù)的快速發(fā)展，使得高效的超導(dǎo)電為傳輸與轉(zhuǎn)化設(shè)備逐漸在電力、軍事等工業(yè)逡逑和國防領(lǐng)域獲得應(yīng)用。據(jù)估計(jì)到２０巧年止，諸如超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、限流器和崣導(dǎo)線材等逡逑高溫超導(dǎo)設(shè)備的全球總市場需求將超過１８億美元（如圖１－１所示）。逡逑２０００邋Ｉ邐邐邐．邐邐邐邐邐邐邐１邐邐邐１邐．邐１逡逑■■由繩邐Ｉ逡逑．Ｍ發(fā)電機(jī)邐＾逡逑□變壓＃逡逑ｉｇ邋１５００邋－邋■■電動(dòng)機(jī)逡逑１０００邋－逡逑Ｊ邋５００邋－逡逑２０１２邋２０１４邋２０１６邋２０１８邋２０２０邋２０２２邋２０２４逡逑年份逡逑圖高濕超導(dǎo)應(yīng)用的市場預(yù)期ｗ逡逑為了維持較高的臨界電流與臨界磁場，超導(dǎo)設(shè)備通常工作在７７Ｋ及レNB下溫區(qū)，其熱負(fù)荷逡逑隨工作溫度不同甚至可高達(dá)百瓦Ｗ上（如表１．邋１所示）。因而如何高效地維持超導(dǎo)系統(tǒng)的低溫逡逑環(huán)境，是超導(dǎo)技未發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。逡逑表１．邋１不同超導(dǎo)材料的低n棖螅保玻卞義銑加τ貿(mào)『襄澹攏櫻茫茫襄危伲攏茫襄義先雀漢懾喂ぷ魑慮迦雀漢懾喂ぷ魑慮義轄枘芷麇危常靛澹耄族危罰埃福板澹隋澹常靛澹耄族危罰埃福板澹隋義希卞義

本文編號(hào)：2823859