對(duì)沖阻尼型氣波制冷機(jī)性能研究.pdf

1、氣波制冷機(jī)作為一種膨脹制冷設(shè)備，具有制冷量大、運(yùn)行周期長、節(jié)能、操作維修方便、帶液運(yùn)行能力強(qiáng)等特點(diǎn)。已應(yīng)用于油田氣輕烴回收、天然氣脫水、化工廠尾氣回收或廢氣凈化等領(lǐng)域。但目前國內(nèi)外氣波制冷機(jī)相關(guān)的報(bào)道較少，相關(guān)報(bào)道多以針對(duì)性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)研究為主，缺少系統(tǒng)和深入的理論及實(shí)驗(yàn)研究，氣波制冷機(jī)的性能有待于進(jìn)一步提高。據(jù)此，本文建立了完善的氣波制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并結(jié)合數(shù)值分析方法，對(duì)氣波制冷機(jī)振蕩管內(nèi)波系運(yùn)動(dòng)和傳熱行為進(jìn)行研究，以探尋提高氣波制冷機(jī)

2、性能的途徑。通過研究振蕩管內(nèi)波系的運(yùn)行狀況，確定了氣波機(jī)實(shí)現(xiàn)極值等熵制冷效率的操作條件，并給出了極值射流頻率的預(yù)測方法；通過研究振蕩管內(nèi)傳熱行為，確定了振蕩管的壁溫分布及其隨各參數(shù)的變化規(guī)律，提出了對(duì)沖型均直振蕩管；通過研究對(duì)沖型均直振蕩管的性能，對(duì)該振蕩管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效地改進(jìn)，確定了性能更佳的對(duì)沖型阻尼振蕩管；通過研究不同參數(shù)條件下采用對(duì)沖型阻尼振蕩管氣波機(jī)的制冷性能，掌握了該氣波制冷機(jī)的運(yùn)行規(guī)律。 本論文的主要研究工作及所形

3、成的主要結(jié)果與結(jié)論如下： (1)設(shè)計(jì)加工了氣波實(shí)驗(yàn)整機(jī)和多管系氣波實(shí)驗(yàn)機(jī)，建立了邊界條件可靈活改變的氣波制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，減小了實(shí)驗(yàn)機(jī)與工業(yè)機(jī)之間的差異，可較好地完成振蕩管內(nèi)瞬態(tài)壓力、振蕩管外壁溫度、機(jī)器制冷性能及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化等實(shí)驗(yàn)工作。采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，建立了多管、多周期的數(shù)值分析模型，并加入實(shí)驗(yàn)測得的管壁溫度，避免了振蕩管的初始和邊界條件不準(zhǔn)確的問題，克服了振蕩管內(nèi)非定常傳熱達(dá)到熱平衡狀態(tài)所需計(jì)算時(shí)間長、累計(jì)誤差大的缺點(diǎn)，此數(shù)值

4、模型經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。 (2)對(duì)振蕩管內(nèi)波系運(yùn)行狀況和傳熱行為進(jìn)行了模擬計(jì)算，并借助于實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)一端封閉的均直振蕩管內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)：管內(nèi)激波與噴嘴結(jié)構(gòu)之間存在最優(yōu)匹配關(guān)系是振蕩管制冷性能存在極值現(xiàn)象的主要原因；數(shù)值分析能夠理想地預(yù)測氣波制冷機(jī)的極值射流頻率。激波擾動(dòng)能夠引起管內(nèi)氣體與管壁之間的傳熱量迅速增加，是影響振蕩管壁溫分布的主要因素；由于膨脹波的作用，使振蕩管內(nèi)激波擾動(dòng)存在一定的范圍，該擾動(dòng)范

5、圍能夠誘發(fā)振蕩管壁溫出現(xiàn)跳躍和封閉端回升現(xiàn)象。 (3)通過振蕩管壁溫分布的分析發(fā)現(xiàn)，波系對(duì)沖有利于管內(nèi)氣體能量的外輸耗散，據(jù)此提出了對(duì)沖型均直振蕩管結(jié)構(gòu)。研究表明：該振蕩管能夠加強(qiáng)管內(nèi)波系能量的消耗，改善振蕩管壁溫分布，使振蕩管的管長利用率和制冷性能均得到提高。對(duì)沖型均直振蕩管中有透射激波到達(dá)管入口端，使其制冷性能存在較明顯的極值現(xiàn)象。兩對(duì)沖型均直振蕩管內(nèi)波系運(yùn)行狀況存在差異，當(dāng)來自于第一振蕩管的透射激波到達(dá)第二振蕩管入口時(shí)，第

6、二振蕩管入口處于被噴嘴前沿封閉的狀態(tài)是對(duì)沖型均直振蕩管實(shí)現(xiàn)極值等熵制冷效率的條件。 (4)在確定了截面突擴(kuò)結(jié)構(gòu)——激波吸收腔的削弱激波性能隨結(jié)構(gòu)參數(shù)變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合激波吸收腔直徑對(duì)氣波制冷機(jī)體積的影響，提出了串聯(lián)吸收腔結(jié)構(gòu)。研究表明：串聯(lián)吸收腔能夠吸收入射激波能量，并將其反射為膨脹波，消除了反射激波對(duì)振蕩管制冷性能的不利影響，機(jī)器制冷性能得到了提高；反射膨脹波能夠引發(fā)二次入射激波，使反射膨脹波與噴嘴結(jié)構(gòu)之間存在一定最優(yōu)匹配

7、關(guān)系，由于二次入射激波較弱，反映到制冷性能上，串聯(lián)吸收腔振蕩管效率曲線平坦；反射膨脹波到達(dá)振蕩管入口時(shí)，振蕩管入口處于封閉狀態(tài)是串聯(lián)吸收腔振蕩管實(shí)現(xiàn)極值等熵制冷效率的條件。 (5)綜合對(duì)沖耗散和阻尼吸收不同的兩種削弱激波強(qiáng)度的思想，提出了對(duì)沖型阻尼振蕩管結(jié)構(gòu)。研究表明：該振蕩管克服了對(duì)沖型均直振蕩管內(nèi)波系運(yùn)行狀況存在差異的缺點(diǎn)，吸收了對(duì)沖型均直振蕩管和串聯(lián)吸收腔的優(yōu)點(diǎn)。與一端封閉的均直振蕩管相比，振蕩管的管長利用率和制冷性能均得

8、到提高，等熵制冷效率提高可達(dá)15％以上，其中極值制冷效率點(diǎn)提高5％左右。對(duì)沖型阻尼振蕩管中的阻尼腔結(jié)構(gòu)能將入射激波反射為膨脹波，使振蕩管制冷性能和流量曲線均變得較平坦，提高了振蕩管變工況的工作能力。對(duì)沖型阻尼振蕩管實(shí)現(xiàn)極值等熵制冷效率的條件為：反射膨脹波到達(dá)振蕩管入口時(shí)，振蕩管入口處于封閉狀態(tài)。 (6)分別對(duì)膨脹比、壓力值、噴嘴寬度和噴嘴射流角度等參數(shù)對(duì)對(duì)沖阻尼型氣波制冷機(jī)制冷性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)其影響機(jī)理進(jìn)行了分析，