液氮温区G-M制冷机的数值分析及新型结构制冷机的研制

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	液氮温区G-M制冷机的数值分析及新型结构制冷机的研制
	王莉
导师	周远 ; 张亮 ; 薛明伦
	1998
学位授予单位	中国科学院研究生院
学位授予地点	北京
学位类别	博士
学位专业	流体力学、制冷与低温工程
关键词	G-m型制冷机低温蓄冷器多层混合型填料数值模拟实验研究低温工程
摘要	G-M制冷机是回热式的小型低温制冷机，它利用绝热放气膨胀原理（又称为西蒙膨胀法）获得低温，具有振动小、运行稳定、寿命长、操作方便等特点，在对效率、重量、尺寸等没有太高要求的场合应用非常广泛。在八十年代末，G-M制冷机已经突破了液氦温度，非常适合在液氦温区为超导器件或电子元件提供冷量，在低温真空泵、MRI超导磁体冷却系统、SQUID再冷凝系统等方面有良好的应用前景，推广其应用已属当务之急。本文围绕着探索氦温区G-M制冷机工作机理、提高低温蓄冷器性能及新型结构G-M制冷机的研制等方面，进行了系统地理论分析和纳归纳，以及初步地实验研究：一. 首次比较完善地建立了液氦温区G-M型制冷机整机数值模拟方法，数值模拟方法给出了制冷机内工质参数瞬态分布及动态变化曲线，为分析制冷机独特的循环特性提供了直观的依据，为探讨运行及结构参数对制冷性能的影响机理提供了强有力的工具。模型中考虑了制冷机中的阻力、实际进排气角、物性变化及蓄冷器内空隙率的存在等多种实际因素：解决了一、二级耦合及部件交界处物性变化不连续对计算影响等问题；采取网格非均匀化、牛顿迭代法以及负反馈原理等措施，提高了计算精度和收敛性。在微机上成功地模拟了液氦温区G-M制冷机的工作过程，程序采用模块化编程，具有一定通用性。二. 运用液氦温区整套机数值模拟方法，计算了制冷机内工质参数（氦流温度、压力、流速等）周期性变化和空间分布，采用一级蓄冷器与低温蓄冷器工作特性对比法，从整机内工质参数动态变化规律分析的角度，验证了液氦温区G-M制冷机工质氦的循环主要分为两部分：常规循环、低温循环。并详细地讨论了运行参数（频率、工作压力）及一级制冷机结构参数对整机内工数动态变化的影响规律以及制冷机性能的影响机理。三. 首次建立了较完善的液氦温区多层混合填料型低温蓄冷器的数值模拟方法，运用数值模拟方法，首次详细地研究了常用填料的不同组合、一定组合下填料比例以及蓄冷器结构对制冷机性能的影响机理，提出了不同填料的最佳节组合及一定组合下填料最佳比例的确定和低温蓄冷器结构和填料优化的原则，为合理有效地设计高性能液氦温区低温蓄冷器提供了依据。四. 提出并设计、加工了一种新型结构的液氦温区双级G-M型制冷机，该机结构在国内外属于首创。其具有以下主要结构特点：一、二级分别独立驱动；一、二级之间通过热桥连接；二级蓄冷器外置于汽缸等。同时建立了新型结构液氦温区双级G-M型制冷机实验系统，为今后整机性能和内部动态过程的研究奠定了基础。五. 新型结构双级G-M型制冷机二级单机动转频率为0.6Hz时，制冷温度为13.6K，且在20K时有4.4W的制冷量；制冷机已达到液氦温区，f = 0.4Hz时，最低温度为4.6K；f = 1Hz，制冷温度为10K时，制冷量大于6W，上述结果目前均未见有文献报道。在新型G-M制冷机上，初步进行了低温蓄冷器性能测试实验及运行参数对制冷机性能影响的实验研究。
索取号	29835
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/23832
专题	力学所知识产出(1956-2008)
推荐引用方式 GB/T 7714	王莉. 液氮温区G-M制冷机的数值分析及新型结构制冷机的研制[D]. 北京. 中国科学院研究生院,1998.

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