伴隨著高溫超導技術(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因其低振動,高可靠性,長壽命的特點而受到廣泛關(guān)注。在脈管制冷機的傳統(tǒng)理論中,金屬絲網(wǎng)通常作為制冷機最為重要的回熱填料而被研究,但關(guān)注其流動均布特性的相關(guān)研究并不豐富。事實上,在大功率脈管制冷機內(nèi)部,由于存在有顯著的多維非均勻流動現(xiàn)象,金屬絲網(wǎng)在制冷機不同部位發(fā)揮出了截然不同的重要功能,其對流動均布的貢獻,尤其是對大功率脈管制冷機而言影響顯著,甚至關(guān)系到制冷機是否能夠降溫。本文專注于回熱器內(nèi)與脈管兩端的金屬絲網(wǎng),針對其功熱轉(zhuǎn)換與流動均布的兩大功效,開展了以回熱填料及制冷機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.基于回熱損失機理及回熱填料的熱力學分析,提出了可表征金屬絲網(wǎng)等回熱填料性能的回熱性能系數(shù)Rf,為篩選回熱填料、預測制冷機性能提供了一種簡潔高效的方法。研究系統(tǒng)分析了脈管制冷機回熱器內(nèi)部在理想狀態(tài)和實際情況下的能量流動情況,總結(jié)了回熱器內(nèi)的主要損失機理及其對應于不同頻率和工作溫區(qū)所表現(xiàn)出的不同權(quán)重�；趯責崞鲹p失機理及回熱填料的熱力學分析,推導出可反映熱滲透深度與填料比熱性質(zhì)的有效熱容Ca,并進一步推導出可表征回熱填料的回熱性能系數(shù)Rf,此系數(shù)與前人工作相比的優(yōu)勢在于,除了考慮回熱填料的流動阻力和換熱性能之外,加入了有效熱容對于其回熱性能的影響,能夠更加精確地反映不同回熱填料回熱特性的相對優(yōu)劣。借助制冷機仿真軟件SAGE和單級脈管制冷機實驗,本文從數(shù)值上和實驗上驗證了Rf在77K溫區(qū)的可靠性,能夠有效分辨出性能差異3%的回熱填料,為將來應用于快速判斷填充有不同回熱填料的脈管制冷機性能做出了有益嘗試。2.借助CFD方法驗證了金屬絲網(wǎng)對于回熱器內(nèi)非均勻流動的誘發(fā)作用,探討了金屬絲網(wǎng)在直流流動與交變流動下對于脈管內(nèi)流場的均布特性。對于回熱器內(nèi)的非均勻流動,本文首次借助CFD方法驗證了回熱填料的非均勻孔隙率對于回熱器內(nèi)非均勻流動的誘發(fā)作用。對于脈管內(nèi)的射流效應,本文借助CFD搭建了三維全尺寸模型,對比了直流流動與交變流動下射流的特點,探索了交變流動下整流層長度對于射流效應的抑制效果,并討論了整流層厚度對于射流效應抑制效果的影響。3.基于全局優(yōu)化的設計方法設計搭建了脈管制冷機實驗臺,開展了制冷機與壓縮機的阻抗匹配、脈管內(nèi)部流動均布和回熱性能系數(shù)驗證等實驗研究。本文提出了基于SAGE的脈管制冷機全局優(yōu)化設計方法,設計了一臺運行壓力2.5MPa,頻率60Hz,設計目標為650W@77K的大功率單級斯特林型脈管制冷機,輸入功率10kW。全局優(yōu)化方法有效減少了仿真軟件的計算量,提高了設計效率；借助SAGE完成了壓縮機與制冷機之間傳輸管的優(yōu)化,將壓縮機諧振頻率自100Hz以上降低至67.3Hz,提高了壓縮機在設計頻率上的輸出效率；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,制冷機制冷溫度從280K降低至86.01K；通過對燒結(jié)絲網(wǎng)、400目和500目金屬絲網(wǎng)進行不同比例的組合,使得制冷機最低制冷溫度進一步下降至78.9K,與Rf對不同絲網(wǎng)組合的預測結(jié)果吻合良好,驗證了Rf在77K溫區(qū)的可靠性。
【學位單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：TB651
【部分圖文】：

高溫超導技術(shù)的快速發(fā)展，使得高效的超導電為傳輸與轉(zhuǎn)化設備逐漸在電力、軍事等工業(yè)逡逑和國防領(lǐng)域獲得應用。據(jù)估計到２０巧年止，諸如超導發(fā)電機、電動機、限流器和崣導線材等逡逑高溫超導設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)電機邐＾逡逑□變壓＃逡逑ｉｇ邋１５００邋－邋■■電動機逡逑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應用的市場預期ｗ逡逑為了維持較高的臨界電流與臨界磁場，超導設備通常工作在７７Ｋ及レNB下溫區(qū)，其熱負荷逡逑隨工作溫度不同甚至可高達百瓦Ｗ上（如表１．邋１所示）。因而如何高效地維持超導系統(tǒng)的低溫逡逑環(huán)境，是超導技未發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。逡逑表１．邋１不同超導材料的低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：2823859