脉冲管制冷机第三种直流的形成机理和抑制方法研究

直流是脉冲管制冷机中重要的机理性问题。它主要考虑在以工质交变流动为主要特征的脉冲管制冷机中的热力学、流动、换热问题，并力争将其普遍规律拓展到斯特林、热声制冷等制冷与低温关键技术中，降低制冷温度和提高制冷效率。本项目将更多从热力学、传热学、流体网络等已有理论出发考虑，通过我们的研究丰富非平衡热力学、交变流动的内容。由于脉冲管制冷机的第三种直流效应是本项目申请者最新提出和验证的重要发现，本项目要解决的关键是脉冲管制冷机第三种直流的形成机理和抑制方法。这是对目前已有脉冲管理论的重要发展和技术的较大挑战，牵涉到整机的优化和结构的创新。在理论分析和系统模拟基础上，采用动态实验系统测试各个关键和难点问题，进而研究第三种直流在蓄冷器、脉冲管、调相元件等中的形成机理，并探索有效而普遍适用的抑制方法。

脉冲管制冷机作为一种稳定可靠的低温制冷机，在航天，军事，医疗以及科研等领域发挥着越来越重要的作用。脉冲管制冷机依靠内部高压制冷工质（通常为氦气）的往复运动来获得制冷效应。而脉冲管制冷机中的直流效应是指对应于其交变主流的一小部分直流分量。此前，脉冲管系统中已证实的直流现象有Gedeon直流和Reyleigh直流两种。分析和研究发现微小的直流分量对制冷机的性能有着巨大的影响。因此直流现象的研究和控制对提升脉冲管制冷机的性能具有重要意义，进而也受到越来越多研究工作者的关注和重视。.本项目所研究的脉冲管制冷机第三种直流现象是基于课题组多年的脉冲管制冷机研究经验，根据实验现象总结和提出的一种新直流现象。在国家自然基金的资助下，本课题对脉冲管制冷机中的第三种直流现象进行了全面的分析和研究。首先，从理论上定性分析了这种新的直流现象与Gedeon直流和Reyleigh直流在形成机理上的不同，指出脉冲管制冷机内部不同部件处的流道变化所带来的结构非对称性是造成第三直流的主要因素。随后借助计算流体力学手段，采用二维数值模拟建立了脉冲管制冷机系统的整机模型并针对脉冲管制冷机内变截面处的流动特性进行了模拟和分析。数值计算的结果直观的展示了制冷机内部突变截面对制冷工质流动的影响以及这种结构非对称性所造成的能量耗散。据此我们认为，不同于由于系统内存中回路引起的Gedeon直流和由于制冷工质的热力学非对称性引起的Reyleigh直流，本项目研究的的第三种直流是由于系统内部大量的结构非对称性引起的一种直流现象。制冷工质在制冷机系统内流动过程中，为其提供驱动力的是流道两端的压差，而在系统内部无回路的情况下，系统结构非对称性对流动的作用结果会反应在对系统内部压力的分布的影响上，并且这种影响的累积效应最终表现为压缩机和气库的压力分布差异。由此我们提出以一种连接压缩机背压腔和气库，通过调节和优化脉冲管制冷机内部的压力分布来抑制第三直流，提升制冷机性能的方法。该方案在不同结构的制冷机系统上的实验研究表明，对于制冷机运行时气库压力低于压缩机背腔压力的系统，该方法均能是制冷温度获得不同程度的降低。因此，该方法针对特定的脉冲管制冷机系统具有实际应用价值。