基于烟线技术的脉管制冷机流动可视化实验研究

唐晓，李镇宇，孙正，曹强，李芃，李帅

（同济大学制冷与低温工程研究所，上海 201804）

0 引言

自从1963年美国Syracuse大学的GIFFORD和LONGSWORTH发明第一代脉管制冷机[1]以来，尤其是近二十年，脉管制冷机得到了飞速发展[2]。由于采用了线性压缩机，制冷部分无运动部件，脉管制冷机很好地解决了冷腔振动、密封、磨损和难以加工等问题，被广泛地应用在空间冷却、红外技术等领域[3]。脉管制冷机的制冷性能受很多因素影响，例如压缩机的输入功、压缩频率[4]和内部气体的二次流[5]等等。传统的实验教学方法只能通过一些仪器仪表间接地反映出内部气体的压力等参数[6-7]，无法准确指示内部的流场。采用可视化技术即可解决这些问题，反映出制冷机运行时内部的气体流场状态。

1 实验方案

2 实验结果处理及结论

脉管内气体振荡幅度随压缩机输入电压变化的关系如图10所示。

图9 脉管内气体振荡幅度随压缩机工作频率变化

图10 脉管内气体振荡幅度随压缩机输入电压变化

由热力学分析可知，输入功：

式中：

——压缩机输入功，W；

——制冷机声功，W；

P1——压缩机输出压力，Pa；

θ——压力波与质量流的相位差，rad；

f——压缩机频率，Hz；

X1——气体振幅，m；

A——脉管横截面积，m2。

当压缩机输入电压不变时，即压缩机功率不变，制冷机内部气体振幅X1和压缩机的频率f成反比。频率f增大时，X1会相应地减小。而当压缩机频率f不变时，压缩机输入电压U增大，即压缩机功率W增大，气体振幅X1也会随之增大。此时压力振幅P1也会和X1同比增大，所以振幅X1的增大比例会小于输入电压U。实验所得趋势和理论趋势符合得较好。

2.2.2 压缩机功率和频率对振幅差的影响

通过整理得到了脉管内边界层气体和中间主流气体的振幅差与压缩机输入电压及频率的关系图。边界层气体与中间主流气体之间的振幅差随压缩机工作频率变化的关系如图11所示。

图11 外层气体与中间气体相差的位移随频率变化

靠近脉管表面的边界层气体与处于脉管中间的主流气体之间的振幅差随压缩机输入电压变化的关系如图12所示。

图12 外层气体与中间气体的位移差随输入电压变化

靠近脉管表面的边界层气体受到的粘滞力较大，压缩机的输入功率和频率的变化对边界层气体振幅的影响较小。而位于脉管中间部分的主流气体远离壁面，受到的粘滞力很小，压缩机的输入功率和频率变化对主流气体的振幅影响比边界层气体要大。所以中间主流气体和边界层气体之间的振幅差改变受主流气体的振幅变化影响要更大，即两者之间的振幅差和主流气体振幅成正相关。

2.2.3 脉管中的二次流

由图7可以明显看出，靠近脉管壁面的边界层气体的相位落后脉管中间的主流气体。这就意味着当主流气体压缩结束后开始向冷端膨胀时，边界层气体由于相位滞后仍然在向热端移动。这种流动叠加在主流上形成了二次流，造成二次流损失。

3 结论

采用烟线技术成功地实现了脉管中流场的可视化。通过对实验中得到的图像进行处理，对脉管制冷机工作机理进行了探索，研究了压缩机不同功率大小、频率大小对流场的影响规律，得出如下结论：

1）通过脉管中的气体在冷端换热器和热端换热器之间来回压缩振荡来实现将冷端的热量传送到热端，从而在冷端产生制冷效应；

2）脉管制冷机内部气体的振幅和压缩机功率正相关，和压缩频率负相关；

3）脉管内边界层气体和主流气体的振幅差和压缩机功率正相关，和压缩频率负相关；

4）脉管制冷机运行时，压力振荡会引起二次流，造成二次流损失。

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