毕业论文（设计）液氦温区vm-pt制冷机的数值计算研究

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1、液氨温区VM-PT制冷机的数值计算研究摘要本文对液氧温区低温调和的Vuilleumier耦合脉冲管(VM-PT)制冷机进行了数值计算研究。采用Sage软件进行了整机模拟，以无负荷制冷温度为H标函数对制冷机运行参数进行了优化。为了进一步了解制冷机的工作原理，研究了脉冲管制冷机内焙流、声功、爛流、压力波、体积流率及温度的沿程分布，并对其相位关系和可用能损失进行了分析。计算结果表明，该制冷机可在平均压力0.9MPa、压比1.61、运行频率0.8Hz时得到3.69K的无负荷制冷温度，在4.2K时可提供16.24mW制冷量。关键词液氫温区；VM制冷机；脉冲管；低温调相；数值计算0

2、.引言在低温超导、低温电子学、低温医学和空间技术等方面，液氨温区制冷机起着非常重要的作用。目前液氮温区制冷机主要有G・M制冷机、型脉冲管制冷机以及高频斯特林型脉冲管制冷机。G-M制冷机和G-M型脉冲管制冷机采用氨气压缩机结合高低阀切换提供压力波动，不对逆损失导致其热效率较低，且需要定期维护⑴。同时，其体积过大的特点限制了它在空间领域的应用。液氨温区髙频斯特林脉冲管制冷机是近年来的一个研究热点，目前已采用二级到四级结构获得了液氨温度24】，运行频率一般在20〜50Hz左右。液氨温区制冷机一般要采用较小的颗粒状或球状磁性蓄冷材料填充蓄冷器，高频运行条件下，蓄冷器的流阻损失较

3、大，效率较低。VM制冷机是斯特林型制冷机的一种，和斯特林制冷机不同的是，它利用热压缩机进行驱动。理论上，VM制冷机具有和斯特林制冷机相同的效率。制冷机的运行频率一般低于5Hz,其可釆用较大粒径的蓄冷材料进行填充以减小流阻损失，可实现较高的蓄冷器效率。因此，研究液氮温区VM制冷机对发展液氮温区高效制冷机具有十分重要的意义。在10K温区单级VM制冷机的基础上，潘长钊等提出了VM・PT型制冷机，即在单级VM冷头上气耦合一级同轴型脉冲管制冷机⑸。为了方便调节，采用了室温小孔气库进行调相，并最终得到了4.4K的无负荷制冷温度。但这种调相方式会引入来白室温的漏热，恶化一级冷头的性能

4、，使得一级冷头温度偏高，进而影响无负荷制冷温度。同吋，这种制冷机的耦合机理、相位关系等也有待于进一步研究。为了获得更低的制冷温度,本文开展了低温调相的VM・PT制冷机的数值计算研究，将气库置于一级冷头之上以减小来自室温的漏热。为了对制冷机耦合机理和工作原理进行深入的了解并指导实验系统的设计，在对制冷机运行参数进行优化的基础上，本文开展了能流、相位及可用能损失分析，并对制冷机的性能进行了初步预测。基金项H：本文由国家白然科学基金(N丄512761陶和博士后创新人才支持计划(NP.BX201600173)资助。1.低温调相VM-PT制冷机结构图1为低温调相VM・PT制冷机结

5、构示意图。在单级VM制冷机的冷腔开一小孔，作为脉冲管制冷机的入口，这样，除了流动引起的损失外，脉冲管内的压力和VM制冷机内基本相同。为了减小來自室温的漏热，脉冲管采用低温小孔气库的调相方式。气库采用环形结构，置于一级冷头上，同时可作为脉冲管制冷机的冷屏。低温下不宜布置阀门，因此小孔阀采用毛细管来代替。为了使结构布置紧凑和便于应用，脉冲管采用同轴型。表1为制冷机初步设计参数及蓄冷器填充方式，后续数值计算也按照此参数进行建模。制冷机的运行原理可参考文献[1]・I•曲轴腹动2・《T3•液氮进II4•液氮出□5•热端排出器及热瑞蒂冷器6•液氮槽?•冷端排岀器及冷端蓄冷器8•—级

6、冷头9・•级辐对屏10・11空即11•牀冲管热端换热猛12•脉冲伶為冷器13•脉冲管14•脉冲皆冷端换热器15•毛细管16•冷气库图1低温调相VM・PT制冷机结构表1低温调相VM-PT制冷机主要结构参数部件名称结构参数热端排出器直径95mm,长度165mm,彳亍程32mm热端蓄冷器环形结构，外径45mm,内径24mm,长度128mm,填充80#不锈钢丝网冷端排出器宜径26mm,长度190mm,彳亍程20mm冷端蓄冷器I［径23.6mm,填充45mm不锈钢丝网(200#)+80mm铅球(直径0.4・0.45mm)脉冲管蓄冷器环形结构，外径18.4mm,内径8.9mm,填充

7、85mmEnNi（直径0.2-0.25mm）脉冲管宜径8.5mm,长度90mm毛细管内径0.4mmx80mm+内径0.8mmx300mm气库环形结构，外径51mm,内径43mm,长度110mm,容积50cm31.数值计算模型Sage软件是一款由美国GedeonAssociates创始人DavidGedeon开发的用丁•斯特林循环模拟的商用程序，1995年正式命名为“Sage”，现在已经更新到第十一个版本。Sage具有可视化界面，对每个部件单独建模，各个部件之间通过质量流、压力波和能量流来进行连接，可实现整机的模拟，并具有一定的优化功能。此