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脉冲管制冷机作为一种新型的回热式制冷机,冷端无运动部件,具有结构简单、可靠性高、振动小、寿命长的优点,是小型低温技术研究的热点。随着脉冲管制冷技术的发展,今后研究工作的重点是提高脉冲管制冷机的效率和满足脉冲管制冷机在空间应用的实际需求。
针对空间红外器件的多温区制冷需求,以及空间制冷机的长寿命使用需求,本文对多冷指脉冲管制冷技术进行了理论和实验研究。针对脉冲管制冷机中蓄冷器内部气流交变流动和换热问题是制约脉冲管制冷机效率提高的难点和瓶颈问题,考虑蓄冷器的材料具有一般意义上的多孔介质特征,本文使用格子Boltzmann方法对通道内填充多孔介质结构的交变流动与换热问题进行了计算,并且分析了其交变流动和换热的特性。本文的主要研究内容和结论如下:
1.多冷指脉冲管制冷技术理论研究。通过优化基于热力学非对称理论建立的脉冲管制冷机模拟程序,使其能够同时模拟两个脉冲管制冷机。模拟结果验证一台压缩机驱动不同脉冲管制冷机组合方案的可行性。计算得出一个压缩机驱动多个相同的脉冲管制冷机时,流量自然会平均分配,但是如果驱动不同的脉冲管,则尺寸大的脉冲管会消耗更多的输入功。
2.多冷指脉冲管制冷技术实验研究。建立多冷指脉冲管制冷机实验装置,在最佳耦合工况下测量了不同组合的多冷指脉冲管制冷机性能。实验研究验证了多冷指脉冲管制冷技术可以实现多温区探测器件的冷却。研究了压缩机与脉冲管组合的耦合特征,分析得出同一组合在不同输入功率下分配到各个脉冲管内的PV功比例相近；一个脉冲管制冷机的制冷量对另一个脉冲管制冷机的制冷温度影响很小；两制冷机间距对无荷载最低制冷温度的影响很小。
3.格子Boltzmann法对二维通道内交变流动和换热的模拟。通过计算得出:交变流动的速度温度分布与Womersley数有关。交变流动在低频下,速度分布与稳定流动相似,可以将这种问题作稳态处理。当频率保持不变时,交变流动速度分布的轮廓和形状与压力波幅值的大小无关,但是速度值与压力波幅值成正比,温度的波动幅度随压力波幅值的减小而减小。也就是说,在Womersley数固定时,雷诺数Re和马赫数Ma越小,温度分布越稳定。
4.格子Boltzmann法对多孔介质内交变流动和换热的模拟。构建了不同结构的多孔介质,计算得出:多孔介质固体和流体的导热系数比越大,通过多孔介质的流体与固体的换热能力越强；交变流动压力波振幅对多孔介质与通道界面处的速度与压力和温度间的相位差的影响很小；通道界面处速度与压力的相位差在某一孔隙率下有一极小值,利用此最佳孔隙率可以对蓄冷器进行优化,以提高蓄冷器性能；多孔介质内最大阻力系数fmax与雷诺数Remax呈反比例函数关系变化,对不同结构多孔介质内的阻力系数的比较,可以为设计蓄冷器时的填料结构的选择提供技术指导。