削弱接受管内反射激波能量的实验研究

    1 引 言

    近年来,随着人们对热分离器的深入研究与认识,极大地促进了其在工程上的使用和推广。但是,关于气波机接受管内激波的运动情况、制冷效率与接受管内反射激波的关系、及如何才能削弱或消除这种反射激波对气波机的负面影响等,这些方面却很少有人进行深入探索。

    反冲膨胀式波制冷实验机具有操作简单、维护方便、零部件更换容易的特点,因此所有实验都是在此实验机上进行的。此实验机的结构特点为:在气体分配器上加工了两种不同类型的喷嘴流道,一种产生径向射流,不作涡轮功,模拟热分离器工作;一种产生偏心射流,作一定的涡轮功,模拟反冲膨胀式波制冷机工作。为验证此种方法的可行性,在实验机直喷嘴时做了大量实验,考察不同接受管、不同膨胀比制冷效率曲线的变化情况。由于偏心射流时效率要比热分离器的高,因此,我们只以热分离器为例,来定性地验证。

    2 反射激波对制冷效率的影响

    热分离器的气流射入接受管时,在分界面前方所形成的激波向接受管的封闭端运动,碰到管端将反射,反射激波再向接受管的开口端运行。入射激波和反射激波都使气体升温,但入射激波只对循环气产生作用,而反射激波将沿整个管长发生作用,最后在管口膨胀。

    实验证明,反射激波的能量消耗与接受管的管长有密切的关系,因此,这时就要考虑接受管的管长对管内运动气体的影响。

    (1)接受管的管长较短:反射激波将在已冷新鲜气排尽前赶上接触面,透过接触面使冷腔中的气体(新鲜气)首先制热,然后在管口反射为膨胀波,即将排出的新鲜气制冷。但由于气流通过激波是突跃的绝热过程,而通过膨胀波是等熵过程,即气体先后受这两种波作用后,总温是上升的,对制冷不利。

    (2)接受管的管长较长:反射激波始终没有赶上接触面,新鲜气排尽时,还没有到达管口,这种情况的反射激波只能对下个一周期射流的新鲜气产生热作用;管口膨胀波造成的温降也不能抵消先前反射激波的温升,故对制冷不利。

    (3)射波频率合适,管长合适:这时反射激波可能只对循环气产生作用,而对新鲜气不起作用,那么反射激波对制冷的影响将不大。而且,接近管长的选择可以使反射激波向管口运行时一直不超过接触面,直至管口两者刚好同时到达,此时新鲜气已排尽,反射激波在管口反射为膨胀波而对下一次射入的新鲜气产生预冷作用,降低了气体的初始温度,对制冷有利。

    综上所述,使反射激波与接触面同时到达管口,这是理想的边界条件。但是,实现这一条件很困难,甚至说是不可能的,因这一条件受管长与射流频率(转速)、喷嘴数目及管内气体音速影响,还与入射激波马赫数有关。因此,总体来讲,反射激波的存在限制了气波机制冷效率的提高,如何能简单、有效地降低反射激波的强度,削弱反射激波的能量,这是非常重要的。