脈衝管制冷機第三種直流的形成機理和抑制方法研究

《脈衝管制冷機第三種直流的形成機理和抑制方法研究》是依託中國科學院理化技術研究所，由周遠擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：脈衝管制冷機第三種直流的形成機理和抑制方法研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：周遠
• 依託單位：中國科學院理化技術研究所

項目摘要

直流是脈衝管制冷機中重要的機理性問題。它主要考慮在以工質交變流動為主要特徵的脈衝管制冷機中的熱力學、流動、換熱問題，並力爭將其普遍規律拓展到斯特林、熱聲製冷等製冷與低溫關鍵技術中，降低製冷溫度和提高製冷效率。本項目將更多從熱力學、傳熱學、流體網路等已有理論出發考慮，通過我們的研究豐富非平衡熱力學、交變流動的內容。由於脈衝管制冷機的第三種直流效應是本項目申請者最新提出和驗證的重要發現，本項目要解決的關鍵是脈衝管制冷機第三種直流的形成機理和抑制方法。這是對目前已有脈衝管理論的重要發展和技術的較大挑戰，牽涉到整機的最佳化和結構的創新。在理論分析和系統模擬基礎上，採用動態實驗系統測試各個關鍵和難點問題，進而研究第三種直流在蓄冷器、脈衝管、調相元件等中的形成機理，並探索有效而普遍適用的抑制方法。

結題摘要

脈衝管制冷機作為一種穩定可靠的低溫制冷機，在航天，軍事，醫療以及科研等領域發揮著越來越重要的作用。脈衝管制冷機依靠內部高壓製冷工質（通常為氦氣）的往復運動來獲得製冷效應。而脈衝管制冷機中的直流效應是指對應於其交變主流的一小部分直流分量。此前，脈衝管系統中已證實的直流現象有Gedeon直流和Reyleigh直流兩種。分析和研究發現微小的直流分量對制冷機的性能有著巨大的影響。因此直流現象的研究和控制對提升脈衝管制冷機的性能具有重要意義，進而也受到越來越多研究工作者的關注和重視。 本項目所研究的脈衝管制冷機第三種直流現象是基於課題組多年的脈衝管制冷機研究經驗，根據實驗現象總結和提出的一種新直流現象。在國家自然基金的資助下，本課題對脈衝管制冷機中的第三種直流現象進行了全面的分析和研究。首先，從理論上定性分析了這種新的直流現象與Gedeon直流和Reyleigh直流在形成機理上的不同，指出脈衝管制冷機內部不同部件處的流道變化所帶來的結構非對稱性是造成第三直流的主要因素。隨後藉助計算流體力學手段，採用二維數值模擬建立了脈衝管制冷機系統的整機模型並針對脈衝管制冷機內變截面處的流動特性進行了模擬和分析。數值計算的結果直觀的展示了制冷機內部突變截面對製冷工質流動的影響以及這種結構非對稱性所造成的能量耗散。據此我們認為，不同於由於系統記憶體中迴路引起的Gedeon直流和由於製冷工質的熱力學非對稱性引起的Reyleigh直流，本項目研究的的第三種直流是由於系統內部大量的結構非對稱性引起的一種直流現象。製冷工質在制冷機系統內流動過程中，為其提供驅動力的是流道兩端的壓差，而在系統內部無迴路的情況下，系統結構非對稱性對流動的作用結果會反應在對系統內部壓力的分布的影響上，並且這種影響的累積效應最終表現為壓縮機和氣庫的壓力分布差異。由此我們提出以一種連線壓縮機背壓腔和氣庫，通過調節和最佳化脈衝管制冷機內部的壓力分布來抑制第三直流，提升制冷機性能的方法。該方案在不同結構的制冷機系統上的實驗研究表明，對於制冷機運行時氣庫壓力低於壓縮機背腔壓力的系統，該方法均能是製冷溫度獲得不同程度的降低。因此，該方法針對特定的脈衝管制冷機系統具有實際套用價值。