极低温多路旁通型高频脉冲管制冷机中的交变流动与热力特性研究

针对极低温多路旁通型高频脉冲管制冷机新方案中非理想气体的交变流动特性及热力学耦合过程这一关键基础问题，开展数值模拟、理论分析和实验研究。研究内容包括：极低温下高频交变流动特性模拟及非理想热力过程分析；适用于极低温高频交变流动的回热器选择、研制、流动和换热分析；极低温制冷系统交变流动实验研究。通过分析复杂的交变流动流场结构，深入揭示物理过程中局部、瞬时的阻力与传热特性；分析空间、周期平均阻力与传热特性随相似参数的变化规律；揭示回热器、脉冲管、多路旁通阀等部件的流动特性，定量分析流动与热力过程的高效耦合技术，阐明极低温下各部件的高效工作规律。通过系列实验研制能够在4～10K极低温工作的多路旁通型高频脉冲管制冷机样机，并验证交变流动数值模型的正确性。该工作的顺利开展将极大的促进我国多路旁通专利技术的发展，并将推动极低温非理想气体交变流动这一基础流动问题的开拓与发展。

10K以下温区制冷机主要应用于空间探测领域、卫星成像与探测领域和低温超导等领域。而随着国力的增强和科技水平的提升，我国必将在不久的将来开展天基深空探测和THz通信的研究和试验。获得空间10K以下温区制冷技术是我国开展上述工作的先决条件，因此十分有必要开展预先研究工作，力争为我国未来空间科学研究提供技术储备，为我国空间技术发展奠定良好的基础。因此在本项目的支持下，研究人员通过深入分析国内外相关领域的最新研究动态，收集了有关回热器填料的基本物性参数、提出了适合极低温高频交变流动的多级多路旁通型脉冲管制冷机研究方案，并形成了制冷机原理样机。利用该样机对惯性管、双向进气、多路旁通等相移结构进行了测试，研究了极低温高频脉冲管制冷机蓄冷器内填料参数的影响，实验研究了适合极低温高频脉冲管制冷机的蓄冷材料以及填充方式。开展了三维CFD数值模拟，提出了脉管效率的概念。通过研究，我们定量分析了回热器在极低温温区和高频交变流动下的损失机制，同时研制出了多路旁通型极低温制冷机原理样机，该原理样机获得了5.1K的无负荷制冷温度，该温度是目前国际上报道的两级高频脉冲管制冷机的最低温度。同时该原理样机可以在8K提供超过30mW冷量，为我国未来在深空探测等领域的研究提供了技术支撑。