基于煙線技術(shù)的脈管制冷機(jī)流動(dòng)可視化實(shí)驗(yàn)研究

唐曉，李鎮(zhèn)宇，孫正，曹強(qiáng)，李芃，李帥

（同濟(jì)大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 201804）

0 引言

自從1963年美國Syracuse大學(xué)的GIFFORD和LONGSWORTH發(fā)明第一代脈管制冷機(jī)[1]以來，尤其是近二十年，脈管制冷機(jī)得到了飛速發(fā)展[2]。由于采用了線性壓縮機(jī)，制冷部分無運(yùn)動(dòng)部件，脈管制冷機(jī)很好地解決了冷腔振動(dòng)、密封、磨損和難以加工等問題，被廣泛地應(yīng)用在空間冷卻、紅外技術(shù)等領(lǐng)域[3]。脈管制冷機(jī)的制冷性能受很多因素影響，例如壓縮機(jī)的輸入功、壓縮頻率[4]和內(nèi)部氣體的二次流[5]等等。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法只能通過一些儀器儀表間接地反映出內(nèi)部氣體的壓力等參數(shù)[6-7]，無法準(zhǔn)確指示內(nèi)部的流場。采用可視化技術(shù)即可解決這些問題，反映出制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)內(nèi)部的氣體流場狀態(tài)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理及結(jié)論

脈管內(nèi)氣體振蕩幅度隨壓縮機(jī)輸入電壓變化的關(guān)系如圖10所示。

圖9 脈管內(nèi)氣體振蕩幅度隨壓縮機(jī)工作頻率變化

圖10 脈管內(nèi)氣體振蕩幅度隨壓縮機(jī)輸入電壓變化

由熱力學(xué)分析可知，輸入功：

式中：

——壓縮機(jī)輸入功，W；

——制冷機(jī)聲功，W；

P1——壓縮機(jī)輸出壓力，Pa；

θ——壓力波與質(zhì)量流的相位差，rad；

f——壓縮機(jī)頻率，Hz；

X1——?dú)怏w振幅，m；

A——脈管橫截面積，m2。

當(dāng)壓縮機(jī)輸入電壓不變時(shí)，即壓縮機(jī)功率不變，制冷機(jī)內(nèi)部氣體振幅X1和壓縮機(jī)的頻率f成反比。頻率f增大時(shí)，X1會(huì)相應(yīng)地減小。而當(dāng)壓縮機(jī)頻率f不變時(shí)，壓縮機(jī)輸入電壓U增大，即壓縮機(jī)功率W增大，氣體振幅X1也會(huì)隨之增大。此時(shí)壓力振幅P1也會(huì)和X1同比增大，所以振幅X1的增大比例會(huì)小于輸入電壓U。實(shí)驗(yàn)所得趨勢和理論趨勢符合得較好。

2.2.2 壓縮機(jī)功率和頻率對振幅差的影響

通過整理得到了脈管內(nèi)邊界層氣體和中間主流氣體的振幅差與壓縮機(jī)輸入電壓及頻率的關(guān)系圖。邊界層氣體與中間主流氣體之間的振幅差隨壓縮機(jī)工作頻率變化的關(guān)系如圖11所示。

圖11 外層氣體與中間氣體相差的位移隨頻率變化

靠近脈管表面的邊界層氣體與處于脈管中間的主流氣體之間的振幅差隨壓縮機(jī)輸入電壓變化的關(guān)系如圖12所示。

圖12 外層氣體與中間氣體的位移差隨輸入電壓變化

靠近脈管表面的邊界層氣體受到的粘滯力較大，壓縮機(jī)的輸入功率和頻率的變化對邊界層氣體振幅的影響較小。而位于脈管中間部分的主流氣體遠(yuǎn)離壁面，受到的粘滯力很小，壓縮機(jī)的輸入功率和頻率變化對主流氣體的振幅影響比邊界層氣體要大。所以中間主流氣體和邊界層氣體之間的振幅差改變受主流氣體的振幅變化影響要更大，即兩者之間的振幅差和主流氣體振幅成正相關(guān)。

2.2.3 脈管中的二次流

由圖7可以明顯看出，靠近脈管壁面的邊界層氣體的相位落后脈管中間的主流氣體。這就意味著當(dāng)主流氣體壓縮結(jié)束后開始向冷端膨脹時(shí)，邊界層氣體由于相位滯后仍然在向熱端移動(dòng)。這種流動(dòng)疊加在主流上形成了二次流，造成二次流損失。

3 結(jié)論

采用煙線技術(shù)成功地實(shí)現(xiàn)了脈管中流場的可視化。通過對實(shí)驗(yàn)中得到的圖像進(jìn)行處理，對脈管制冷機(jī)工作機(jī)理進(jìn)行了探索，研究了壓縮機(jī)不同功率大小、頻率大小對流場的影響規(guī)律，得出如下結(jié)論：

1）通過脈管中的氣體在冷端換熱器和熱端換熱器之間來回壓縮振蕩來實(shí)現(xiàn)將冷端的熱量傳送到熱端，從而在冷端產(chǎn)生制冷效應(yīng)；

2）脈管制冷機(jī)內(nèi)部氣體的振幅和壓縮機(jī)功率正相關(guān)，和壓縮頻率負(fù)相關(guān)；

3）脈管內(nèi)邊界層氣體和主流氣體的振幅差和壓縮機(jī)功率正相關(guān)，和壓縮頻率負(fù)相關(guān)；

4）脈管制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)，壓力振蕩會(huì)引起二次流，造成二次流損失。

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