新型回热器内工质流动数值模拟分析

　　1 引言

　　低温制冷机的回热器填料主要有三类不同的填充方式，第一类是径向填充，包括丝网型回热器[1 -3]、渐开线式薄片回热器[4，5]、螺旋型盘式回热器[6]; 第二类是轴向填充，包括平行丝型回热器[7]、薄片式回热器[8]、蚀刻金属薄片回热器[9];第三是随机丝型回热器[10]以及堆叠球体式回热器[11]。

　　考虑到径轴向两种类型回热器填料的优缺点是互补的，因此可以把这二者结合起来，设计一种新的综合径向填充和轴向填充的混合式回热器结构，通过径向填充的丝网减小轴向导热损失，改善流动不均匀性; 通过轴向填充的缠绕圆柱型蚀刻金属薄片或不锈钢丝以降低流动阻力损失，并减小回热器内的空容积。这种新型径轴向混合填充式回热器可以实现高的回热效率，低的流动阻力，小的轴向导热损失，较小的空容积，可极大的提高回热式机械制冷机的效率。

　　2 基于 fluent 的流动模拟

　　2. 1 回热器物理模型

　　新型径轴向混合填充式回热器可看成是层叠丝网式与平行丝式回热器的综合体，其中径向填料由紧密层叠的不锈钢填充而成，轴向填料由一束紧密排列的小丝径不锈钢丝束填充而成，具体结构形式如图 1 所示。

　　对新型径轴向混合填充式回热器建立简化模型，其中径向填料与轴向填料的长度比为 1: 1，径轴向填料结构主要参数如表 1 所示。取其部分填料为模型对象，模型长 3. 0mm、宽 1. 7mm，填料长2. 5mm。

　　2. 2 初始条件

　　基于某型号斯特林制冷机的实际运行参数:制冷机的平均工作压力为 1. 75MPa，冷端温度为80K，热端温度为 300K，交变频率为 45Hz，工质气体的平均体积流量约为 412. 2ml/s。

　　对回热器的简化模型进行网格划分后，确定模型左边线的边界条件类型为 Velocity_Inlet，右边线的边界条件类型为 OutFlow，其他各线的边界条件类型为 Wall，工质气体流经的面设定为 Fluid。

        3 模拟结果分析

　　3. 1 稳态流动分析

　　在利用 Fluent 软件对三种回热器的简化模型进行模拟分析时，取稳态流动条件下工质气体的进口速度 v = 6. 4794m/s。工质气体流经回热器填料内的流动 Re <1000，对简化模型内工质气体进行计算时，采用层流模型。

　　( 1) 工质压降分析

　　由工质压降图 2( a) —2( d) 可知，径向填料内工质流动扰流强度大于轴向填料，在填充率相差不大时，轴向填料内工质压降小于径向填料，在工质进口和径轴向填料交界处填料结构和工质流道复杂，工质流动扰动剧烈，工质压降也较大。