激波能量的改变对制冷效率及管内波系的影响研究

    目前,在压力能的回收上将压力能转化为冷量方法有二:带压气体膨胀作功进行制冷和利用压力波作功进行制冷。后者固有的优点在于结构简单、运行维护容易,同时由于利用压力波作功制冷的核心部分无运动部件,因而价格便宜,且具有较强的抵抗两相流侵蚀的能力。但因振荡管内存在着很强的反射激波,使制冷效率受到较大影响[1,2,3]。本文对现有的气波制冷机进行了改造,通过在接受管中加入蓄冷填料[4],来削弱接受管内反射激波的强度,重点研究了激波能量的改变对气波机制冷效率及管内波系的影响。

    1 实验数据的测量与分析

    实验所采用的温度、压力测试系统及实验装置相同。图1为气体分配器与接受管示意图,接受管端部加入了一定规格的蓄冷填料,蓄冷填料是由不锈钢丝网多层缠绕一起制成的,可根据接受管尺寸、实验条件来选择不同的填料。

     接受管是一端开口另一端封闭的匀直管,气体(本实验中用空气进行模拟)经气体分配器降压提速后射入接受管,与管内反射气体进行能量交换,入射气体和反射激波同端部加入的蓄冷填料相互作用,大部分的能量转变为热量由接受管壁传到外界。

    气体分配器高速旋转,其上的喷嘴间断地对准接受管开口端,射流气体间歇地射入接受管,从而不断地进行能量的交换,达到制冷的目的。

    通过公式(1)计算制冷机的等熵效率:

    式中:ΔT=TO-TL,TO为进气温度,TL为出口气体温度,实验中由热电偶直接测量;ε为膨胀比,即pO/pb,pO为进气压力,pb为出口压力,实验中由压力表读出;k为空气的绝热指数,取k=1.4。

    图2~图5给出了部分实验结果。实验条件为:接受管内径d=10 mm ,管长LL=2.26m。

    从图2~图5的效率曲线图中可知,接受管中反射激波的能量被削弱以后,气波机的制冷效率同原先相比提高了很多,效果非常明显。电机转速达到1200 r/min时,两种边界条件下的气波机的制冷效率值出现了较大的差值,同时制冷效率峰值点变得多了(从12000 r/min以后都可认为是加入填料后气波机的峰值点)。效率对比值如表1所示。

    2 管内非定常流动的数值模拟

    气波管内的流动是带有周期性的边界条件、有磨擦和换热的非定常流动。目前,计算气流流场中带有强间断(如激波)的格式主要有Godunov格式、MacCormark格式、Beam-Warming格式、TVD格式和NND格式等。Godunov格式是计算含有复杂激波系的一种有效的方法。该格式是由Riemann问题的近似分析解而建立起来的,适合原有问题的物理特性,因而在实践中获得了良好的效果。Go-dunov格式构造简单、稳定性好,本文在对计算方程、程序流程、差分格式等加以优化和改进后,数值模拟接受管内反射激波能量被削弱后的流动状态。