30K以下温区斯特林型脉冲管制冷机高效蓄冷器理论与实验研究

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1、博士学位论文30K以下温区斯特林型脉冲管制冷机高效蓄冷器理论与实验研究作者姓名：包丁立指导教师:党海政研究员中国科学院上海技术物理研究所学位类别:工学博士学科专业:制冷及低温工程培养单位:中国科学院上海技术物理研究所2018年6月TheoreticalandexperimentalinvestigationsonthehighefficientregeneratorintheStirling-typepulsetubecryocoolerbelow30KAdissertationsubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesinpartia

2、lfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinRefrigerationandCryogenicEngineeringByBaoDingliSupervisor:ProfessorDangHaizhengShanghaiInstituteofTechnicalPhysics,ChineseAcademyofSciencesJune2018中国科学院大学研究生学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他

3、个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明或致谢。作者签名：日期：中国科学院大学学位论文授权使用声明本人完全了解中国科学院大学有关保留，使用学位论文的规定，即：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存学位论文。本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将学位论文提交《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社，编入CNKI学位论文全文数据库并充实到“学位论文学术不端行为检测系统”比对资源库，同意按章程规定享

4、受相关权益。保密论文在解密后遵守此规定。论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日摘要摘要近年来，国防及民用领域对30K以下温区制冷提出了越来越高的迫切需求。斯特林型脉冲管制冷机由于其效率高、体积小、重量轻、可靠性高和寿命长等突出优点，逐渐成为上述领域颇具吸引力的制冷手段。蓄冷器作为脉冲管制冷机的核心部件，隔绝冷热两端并实现稳定的温度梯度，其内部的不可逆损失占脉冲管制冷机中总体损失的主要部分，而且上述损失随着温度降低到30K以下会呈现出更复杂的特性。鉴于上述背景，为提高制冷效率，本文针对制冷温度30K以下单级、两级和三级斯特林型脉冲管制冷机的各类蓄冷器进行了深入的理论与实验研究。主要研究内

5、容和结论如下：（1）系统分析了30K以下温区不同蓄冷器填料的物性以及结构。在物性方面，主要阐述磁性填料在低温下有较大比热容的原因。在结构方面，详细研究丝网以及颗粒结构的简化模型并且给出相应的参数计算公式。详细讨论了频率以及充气压力如何影响工质的粘性穿透深度。（2）建立了一种预测蓄冷器性能的数值模拟方法，并对其有效性进行实验验证。鉴于理想气体状态方程和稳态流的经验公式不再适用于本文所研究的对象，本模型考虑了实际气体效应以及振荡流下的摩擦与换热经验公式。通过理论推导二维Brinkman–Forchheimer多孔介质模型，并结合Fourth-orderRunge-Kutta（四阶龙格库塔）方

6、法进行数值求解。通过实验验证，表明本模型方便、快速，同时又不失精度。（3）对30K以下单级斯特林型脉冲管制冷机高效蓄冷器进行了理论和实验研究。为提高制冷机的性能，模拟并优化了不同目数的混合丝网填充。主要通过模拟制冷量进行比较，并且使用熵产分析进一步分析蓄冷器内部损失。通过单级同轴型脉冲管制冷机进行实验验证，结果表明实验与理论趋势一致，说明制冷机的性能能够通过混合丝网的填充进一步提升。在热端温度为300K，输入电功为220W时，单级制冷机能够达到26.7K的无负荷温度，并在30K获取0.45W的净制冷量。需要强调的是，该制冷机既没有使用双向进气也没有使用多路调相结构。（4）对20K以下两级

7、斯特林型脉冲管制冷机高效蓄冷器进行了理论和实验研究。为了20K以下温区获取有效制冷量，单一的不锈钢丝网作为填料已经不能满足制冷机蓄冷的需求。这时需要使用该温区比热容较高的磁性材料作为填料来代替不锈钢。本文提出一种结合定性分析与定量计算的颗粒粒径设计方法，并模拟及优化不同材料（不锈钢与磁性填料）之间的混合填充。研究热桥的传热机理，并定量优化热桥耦合位置和混合填充位置。实验结果表明：优化后制冷机的无负I摘要荷温度从21.02K降低至17