雙開口氣波制冷機(jī)非定常流動(dòng)三維數(shù)值模擬

吳響響，王澤武，許曉飛，胡大鵬

（1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430061；2.大連理工大學(xué) 化工機(jī)械與安全系，遼寧大連 116024）

0 引言

雙開口氣波制冷機(jī)（DOGWR）具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、參數(shù)可調(diào)節(jié)和制冷效率較高等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)、天然氣脫水和工業(yè)尾氣回收等領(lǐng)域［1-2］。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于泵等水力機(jī)械的非定常流動(dòng)特性進(jìn)行了大量研究［3-7］，但主要集中在不可壓縮的液體，而對(duì)于非定常瞬態(tài)氣體這類可壓縮、具有能量轉(zhuǎn)化和波系產(chǎn)生的流體研究較少。

王靜嫻等［8］建立了雙開口氣波制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，監(jiān)測了氣波機(jī)振蕩管內(nèi)氣體脈動(dòng)壓力，對(duì)氣波機(jī)內(nèi)部波系和流動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了研究。于洋等［9］搭建了氣波冷凝裝置，對(duì)氣體熱力學(xué)特性進(jìn)行了詳細(xì)研究，獲得了影響氣波機(jī)制冷性能和脫濕干氣壓力恢復(fù)性能的主要參數(shù)。代玉強(qiáng)［10］和劉培啟等［11］通過實(shí)驗(yàn)研究了氣波機(jī)振蕩管制冷性能，對(duì)影響氣波機(jī)制冷效率的膨脹比、轉(zhuǎn)速和高溫端口壓力等參數(shù)進(jìn)行了測試。這些實(shí)驗(yàn)研究在一定程度上為氣波機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和操作提供了指導(dǎo)，但現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件只能研究振蕩管內(nèi)壓力振蕩特性，而對(duì)于管內(nèi)流體溫度、速度等其他重要物理量無法捕捉，且實(shí)驗(yàn)難以直觀體現(xiàn)振蕩管內(nèi)氣體的非定常流動(dòng)。

隨著近些年數(shù)值計(jì)算的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬可以直觀體現(xiàn)復(fù)雜流場、多物理場特性，從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，因此數(shù)值計(jì)算作為一種科學(xué)的研究方法也被廣泛應(yīng)用于氣波制冷機(jī)中［12-14］。SPALDING等［15］利用一維非定常流動(dòng)理論，忽略了波轉(zhuǎn)子的周向和徑向，對(duì)振蕩管進(jìn)行了非定常流動(dòng)分析，并在DANIEL等［16］研究下進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了程序化。于洋等［9］將氣波制冷機(jī)沿周向展開得到平面移動(dòng)模型，采用二維周期性邊界條件對(duì)氣波機(jī)進(jìn)行了流場、溫度場的數(shù)值模擬，并優(yōu)化了氣波機(jī)冷凝波圖。劉培啟等［17-18］通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)定量分析了高溫口壓力對(duì)氣波機(jī)制冷和內(nèi)部流場的影響，并對(duì)氣波機(jī)最佳偏角設(shè)置進(jìn)行了預(yù)測。然而目前使用的氣波機(jī)一維、二維數(shù)值模擬尚未考慮波轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，忽略了高壓氣體的入射損失，因此不能真實(shí)反應(yīng)管內(nèi)流體邊界層效應(yīng)和漩渦等復(fù)雜三維現(xiàn)象，也不能真實(shí)模擬高壓氣體射入振蕩管這一關(guān)鍵漸開漸閉過程。同時(shí)，一維、二維數(shù)值模擬獲取的激勵(lì)載荷也無法加載到振蕩管上對(duì)氣波機(jī)動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)等問題進(jìn)行科學(xué)研究。

為此，論文首先分析雙開口氣波制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理，基于周期性條件開發(fā)氣波機(jī)三維非定常流動(dòng)數(shù)值模型，并對(duì)數(shù)值結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。然后分析振蕩管內(nèi)非定常流動(dòng)流體的壓力場和溫度場等特性，重點(diǎn)關(guān)注高壓噴嘴氣體射入振蕩管這一關(guān)鍵過程。最后提取振蕩管內(nèi)多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的激勵(lì)載荷，從而為進(jìn)一步研究氣波機(jī)壓力交換制冷機(jī)理、振蕩管流致振動(dòng)問題和延壽提供技術(shù)支持。

1 結(jié)構(gòu)和原理

雙開口氣波制冷機(jī)是一種利用激波、膨脹波和壓縮波之間波系運(yùn)動(dòng)和能量交換實(shí)現(xiàn)氣體制冷的特殊設(shè)備［8，11］，其常見結(jié)構(gòu)如圖 1 所示［9］。

圖1 雙開口氣波制冷機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the DOGWR

氣波制冷機(jī)的核心部件波轉(zhuǎn)子由內(nèi)、外圓筒和插片組成，從而在內(nèi)、外筒之間的整個(gè)圓周上形成多個(gè)通道（振蕩管）。同時(shí)，帶有螺栓孔的波轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)軸之間通過螺栓連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)波轉(zhuǎn)子隨轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。波轉(zhuǎn)子兩端分別設(shè)置有靜止的高壓進(jìn)氣端口、高溫出氣端口、低溫出氣端口和中壓進(jìn)氣端口，且高壓進(jìn)氣端口與高溫出氣端口中心存在一定的偏角，偏角和氣體進(jìn)出端口的大小以及波轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度可以調(diào)節(jié)，從而改變氣波機(jī)的工況，實(shí)現(xiàn)氣波機(jī)的最高制冷效率。另外，進(jìn)、出氣端口固定端板與波轉(zhuǎn)子兩端面保持有一定的間隙，防止波轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)與端板接觸擠壓而發(fā)生卡死現(xiàn)象。

雙開口氣波制冷機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，高壓噴嘴持續(xù)向波轉(zhuǎn)子通道中射入高壓氣體，并對(duì)管內(nèi)原有氣體進(jìn)行壓縮，使得原有氣體溫度升高，射入的新鮮高壓氣體膨脹降壓，溫度降低。由于振蕩管周期性的與進(jìn)、出氣端口逐漸接通和閉合，因此振蕩管內(nèi)產(chǎn)生非定常流動(dòng)流體。本文雙開口氣波機(jī)的工作介質(zhì)為空氣，其數(shù)值模型尺寸與文獻(xiàn)［8］實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)相同，具體參數(shù)見表1。

表1 雙開口氣波制冷機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of the DOGWR

2 三維數(shù)值模型開發(fā)

2.1 模型簡化

雙開口氣波制冷機(jī)三維流動(dòng)過程數(shù)值計(jì)算對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求極高，且旋轉(zhuǎn)振蕩管與進(jìn)、出氣端口漸開漸閉，因此，數(shù)值模擬的主要難點(diǎn)是合理簡化模型，使現(xiàn)有計(jì)算機(jī)能夠滿足計(jì)算要求。開發(fā)的雙開口氣波制冷機(jī)三維模型如圖2所示，主要考慮以下3個(gè)方面：

圖2 雙開口氣波制冷機(jī)簡化三維模型Fig.2 Simplified 3D model of the DOGWR

（1）振蕩管是氣波機(jī)關(guān)鍵也是薄弱零件，因此三維模型主要考慮振蕩管、轉(zhuǎn)轂和進(jìn)、出氣端口，而忽略氣波機(jī)旋轉(zhuǎn)軸、接管和外殼等結(jié)構(gòu)。同時(shí)，以部分振蕩管代替整機(jī)，并將進(jìn)、出氣端口軸向長度縮小，以節(jié)約計(jì)算資源。

（2）3根振蕩管和管內(nèi)流體模型以及滑移邊界條件既可以真實(shí)模擬高壓端口氣體入射，又便于脈動(dòng)載荷傳遞和考慮振蕩管之間的相互影響。同時(shí)，帶有螺栓孔的轉(zhuǎn)轂?zāi)Ｐ陀欣跍?zhǔn)確設(shè)置振蕩管在高頻激勵(lì)載荷下動(dòng)態(tài)響應(yīng)的邊界條件，從而最大程度的模擬氣波機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況。

（3）中間振蕩管初始位置與氣波機(jī)的高壓進(jìn)氣端口十分靠近，便于在較短的計(jì)算時(shí)間內(nèi)獲取振蕩管與高壓端口漸開漸閉這一關(guān)鍵過程的管內(nèi)脈動(dòng)流體流場，從而節(jié)約計(jì)算資源。

2.2 網(wǎng)格劃分

氣波制冷機(jī)流體域和固體域網(wǎng)格一起劃分會(huì)導(dǎo)致三維模型網(wǎng)格數(shù)量倍增，且算法復(fù)雜。因此，為了提高計(jì)算效率，進(jìn)一步簡化數(shù)值計(jì)算模型，只對(duì)氣波機(jī)三維流體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和流場計(jì)算分析。為了更好地捕捉振蕩管內(nèi)脈動(dòng)流體的流場，尤其是管內(nèi)產(chǎn)生的各種激波和膨脹波，采用“多區(qū)域網(wǎng)格劃分”方法，使用“六面體”和“六面體主導(dǎo)”的網(wǎng)格類型。為了消除網(wǎng)格大小對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，進(jìn)行了多次細(xì)化網(wǎng)格試算，最終確定了整體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格大小為1 mm×1 mm，同時(shí)為了準(zhǔn)確模擬流固交界處的流體流動(dòng)，對(duì)振蕩管內(nèi)壁接觸的流體表面設(shè)置6層膨脹層和一定的生長率，使得邊界層網(wǎng)格向流體內(nèi)部區(qū)域逐漸變大，從而與流體內(nèi)部區(qū)域網(wǎng)格完好銜接，便于流體表面區(qū)域與內(nèi)部區(qū)域間進(jìn)行信息傳遞和計(jì)算。最后得到結(jié)構(gòu)化流體網(wǎng)格模型的單元數(shù)量和單元節(jié)點(diǎn)分別為644 400，707 323個(gè)，氣波機(jī)三維流動(dòng)數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 氣波機(jī)三維流動(dòng)數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格模型Fig.3 3D finite element mesh model of the DOGWR

2.3 邊界條件和算法設(shè)置

（1）邊界條件。

雙開口氣波制冷機(jī)三維流體流動(dòng)模型邊界條件主要有5種：高壓進(jìn)氣端口（HP inlet）和中壓進(jìn)氣端口（MP inlet）的“壓力進(jìn)口”邊界（Pressure inlet）；高溫出氣端口（HT outlet）和低溫出氣端口（LT outlet）的“壓力出口”邊界（Pressure outlet）；振蕩管內(nèi)流體左端面和高壓噴嘴、低溫氣腔的接觸面設(shè)置為一對(duì)“滑移邊界”（Sliding interfaces），同時(shí)振蕩管內(nèi)流體右端面和高壓噴嘴、中壓氣腔的接觸面設(shè)置為另一對(duì)“滑移邊界”；此外，振蕩管、噴嘴和氣腔內(nèi)與設(shè)備接觸的流體面均設(shè)置為“壁面”邊界（Wall）；其他內(nèi)部流體軟件默認(rèn)為“內(nèi)部”邊界（Interior）。氣波機(jī)數(shù)值計(jì)算進(jìn)、出端口邊界條件見表2。

表2 進(jìn)、出氣端口邊界條件Tab.2 Boundary conditions of the inlet and outlet ports

另外，振蕩管內(nèi)流體非定常流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算首先需要對(duì)計(jì)算流體域賦予初值，使流場特性較快到達(dá)氣波機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)工況。為保證計(jì)算的收斂性，噴嘴和氣腔的初始化條件按照表2中氣波機(jī)對(duì)應(yīng)端口的邊界條件給定，振蕩管內(nèi)氣體初始?jí)毫蜏囟确謩e設(shè)置為0.5 kPa（表壓）、299.8 K。

（2）算法設(shè)置。

基于FLUENT軟件中的瞬態(tài)分析、密度基和滑移網(wǎng)格計(jì)算振蕩管內(nèi)脈動(dòng)流體的流場特性。其中，密度基求解器適用于激波干擾、伴有燃燒等的高速可壓縮流體和超音速流動(dòng)流體［19-20］。振蕩管內(nèi)流體采用理想氣體作為計(jì)算介質(zhì)，其在低壓、高溫下與實(shí)際工作介質(zhì)空氣的偏離在工程允許誤差范圍內(nèi)，已廣泛應(yīng)用于氣波機(jī)數(shù)值模擬［8-9，17-18］。計(jì)算模型中近壁面采用“標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)”，具體控制方程采用Realizable k-ε湍流模型，該模型對(duì)于帶有旋流的平面混合流、平面射流和圓形射流管內(nèi)充分發(fā)展的湍流流動(dòng)數(shù)值計(jì)算更加準(zhǔn)確［17，21］，適合高壓噴嘴射流工況數(shù)值計(jì)算。采用AUSM離散格式，其對(duì)間斷處較為敏感，具有捕捉激波強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于可壓縮氣體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域［22］，可以準(zhǔn)確獲取管內(nèi)多種波系和強(qiáng)間斷。模型計(jì)算Courant數(shù)縮小設(shè)置為3，可以使計(jì)算收斂更好。同時(shí)，對(duì)振蕩管內(nèi)流體域設(shè)置2 340 r/min的旋轉(zhuǎn)速度模擬管內(nèi)流體隨振蕩管的轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)振蕩管與固定進(jìn)、出氣端口間采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，滑移網(wǎng)格邊界采用Interface邊界條件，最后得到雙開口氣波制冷機(jī)三維流體計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 雙開口氣波制冷機(jī)三維流體計(jì)算模型Fig.4 3D fluid calculation model of the DOGWR

三維流體流動(dòng)數(shù)值計(jì)算模型對(duì)應(yīng)雙開口氣波制冷機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的較佳制冷轉(zhuǎn)速是2 340 r/min，因此振蕩管每旋轉(zhuǎn)1°大約需要7.122 5×10-5s。為了更好的捕捉振蕩管內(nèi)非定常流動(dòng)流體的激波、膨脹波、壓縮波和接觸面等強(qiáng)間斷，設(shè)置計(jì)算時(shí)間步長為1×10-5s，計(jì)算穩(wěn)定性較好。同時(shí)，設(shè)置數(shù)值計(jì)算的總時(shí)間步數(shù)為2 550步，則振蕩管大約可以旋轉(zhuǎn)整個(gè)周期，計(jì)算過程中所有物理量的殘差基本小于1×10-3，計(jì)算收斂性較好。

3 結(jié)果驗(yàn)證與分析

3.1 數(shù)值模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證開發(fā)的雙開口氣波制冷機(jī)三維流動(dòng)模型的準(zhǔn)確性，利用現(xiàn)有文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值解進(jìn)行對(duì)比分析。文獻(xiàn)［8］在波轉(zhuǎn)子的某一根振蕩管上開設(shè)了6個(gè)測壓孔，并在對(duì)應(yīng)位置安裝了高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器，從而對(duì)管內(nèi)流體的脈動(dòng)壓力進(jìn)行監(jiān)測。

在氣波機(jī)三維流動(dòng)數(shù)值計(jì)算完成后，選取如5所示6個(gè)壓力監(jiān)測點(diǎn)，從而提取對(duì)應(yīng)開孔處流體的壓力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。最后得到如圖6所示的振蕩管監(jiān)測孔3，4的壓力變化曲線。

圖5 振蕩管內(nèi)流體壓力監(jiān)測孔Fig.5 Position of the pressure monitoring hole in the oscillation tube

從圖6中可以看出，總體趨勢(shì)上試驗(yàn)值與計(jì)算值基本吻合，也存在一定的誤差，其產(chǎn)生的原因大致包括：數(shù)值計(jì)算中采用理想氣體和Realizable k-ε湍流模型，與管內(nèi)真實(shí)氣體的物理特性和實(shí)際流動(dòng)有一定差別；文獻(xiàn)中試驗(yàn)氣波機(jī)的高壓端口入射氣體到振蕩管內(nèi)有渦流產(chǎn)生，造成試驗(yàn)中壓力傳感器測量值有一定波動(dòng)。雖然振蕩管內(nèi)脈動(dòng)壓力計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)測量值有一定的誤差，但從整體上看，數(shù)值計(jì)算壓力脈動(dòng)值與試驗(yàn)測量值吻合度較高，計(jì)算模型可以較好地捕捉激波、壓縮波和膨脹波的位置，因此本文開發(fā)的雙開口氣波制冷機(jī)三維流體流動(dòng)數(shù)值模型可以用于研究氣波機(jī)核心部件振蕩管內(nèi)的流場特性、入射損失、高頻脈動(dòng)載荷提取和瞬態(tài)熱流固耦合力學(xué)響應(yīng)等科學(xué)難題。

圖6 振蕩管監(jiān)測孔3和4試驗(yàn)與數(shù)值壓力時(shí)域?qū)Ρ菷ig.6 Comparison curves of the pressure at openings 3 and 4 between experimental and numerical values

3.2 振蕩管內(nèi)流場分析

（1）壓力場。

為了便于研究氣波機(jī)振蕩管內(nèi)流體壓力隨振蕩管旋轉(zhuǎn)的波動(dòng)特性，充分利用波轉(zhuǎn)子振蕩管周期性與進(jìn)、出氣端口接通和閉合，同時(shí)考慮振蕩管之間的相互影響，選用3根振蕩管模型的中間振蕩管內(nèi)流體為研究對(duì)象，提取其多個(gè)不同時(shí)刻的壓力云圖，并拼接成一個(gè)整體進(jìn)行分析，得到中間振蕩管與噴嘴接通和閉合過程中管內(nèi)非定常流動(dòng)流體的壓力分布云圖如圖7所示。

圖7 中間振蕩管內(nèi)脈動(dòng)流體不同時(shí)刻靜壓分布云圖Fig.7 Static pressure distribution nephogram of the fluid in the middle oscillating tube at different moments

從圖7（a）中可以看出，當(dāng)高壓進(jìn)氣端口與波轉(zhuǎn)子通道逐漸接通時(shí)，高壓氣體射入振蕩管通道內(nèi)，同時(shí)產(chǎn)生了激波，隨著通道的旋轉(zhuǎn)，激波向通道右側(cè)快速運(yùn)動(dòng)，激波所到之處通道內(nèi)氣體壓力上升。當(dāng)中間振蕩管旋轉(zhuǎn)到與高壓進(jìn)氣端口閉合時(shí)會(huì)產(chǎn)生膨脹波，膨脹波作用下氣體壓力降低。此外，當(dāng)振蕩管與高壓、高溫端口同時(shí)接通時(shí)，管內(nèi)流體的壓力普遍較大，同時(shí)波動(dòng)劇烈；而當(dāng)振蕩管旋轉(zhuǎn)至遠(yuǎn)離高壓、高溫端口時(shí)，雖然管內(nèi)流體仍存在一定波動(dòng)，但是波動(dòng)幅度和壓力都相對(duì)較小。從圖7（b）中可以看出，當(dāng)振蕩管運(yùn)動(dòng)到低溫排氣階段時(shí)，振蕩管內(nèi)流體壓力普遍較小且相對(duì)穩(wěn)定，壓力在0.321～0.357 kPa之間波動(dòng)，因此，可以將低溫排氣階段簡化為穩(wěn)態(tài)進(jìn)行數(shù)值分析。

為了便于研究振蕩管與高壓端口漸開漸閉復(fù)雜流動(dòng)過程，單獨(dú)取中間振蕩管與高壓噴嘴漸開、完全接通和漸閉3個(gè)時(shí)刻，并沿管內(nèi)流體不同高度和不同軸向位置設(shè)置多個(gè)平面，得到振蕩管與高壓噴嘴不同時(shí)刻管內(nèi)不同位置流體壓力云圖如圖8所示。從圖8（a）中可以看出，當(dāng)振蕩管與高壓噴嘴部分接通時(shí)，射入管內(nèi)的高壓氣體壓縮管內(nèi)原有空氣，使得靠近高壓端口的振蕩管內(nèi)流體壓力快速升高，而遠(yuǎn)離高壓端口的管內(nèi)流體由于射入的高壓氣體還沒有到達(dá)，因此壓力變化較小。同時(shí)，由壓力放大圖可知，振蕩管與高壓噴嘴漸開時(shí)靠近高壓端口的管內(nèi)流體沿通道寬度（周向）方向有一定壓力梯度，這是由于振蕩管與高壓噴嘴漸開導(dǎo)致射入管內(nèi)高壓氣體在管內(nèi)分布不均勻，但是遠(yuǎn)離高壓端口的管內(nèi)流體沿通道寬度方向的壓力分布基本相同。從圖8（b）中可以看出，當(dāng)振蕩管與高壓噴嘴完全接通時(shí)，振蕩管內(nèi)流體壓力較大，且沿著振蕩管長度方向的壓力出現(xiàn)明顯波動(dòng)。同時(shí)，振蕩管與高壓噴嘴完全接通時(shí)管內(nèi)流體沿通道寬度方向的壓力分布基本相同。從圖8（c）中可以看出，當(dāng)振蕩管與高壓噴嘴漸閉時(shí)，振蕩管內(nèi)流體壓力較大，最大壓力達(dá)到83.1 kPa，發(fā)生在振蕩管中間。同時(shí)，振蕩管與高壓噴嘴漸閉時(shí)管內(nèi)流體沿通道寬度方向的壓力分布也基本相同。此外，從圖8中可以看出，振蕩管與高壓端口漸開漸閉整個(gè)過程中管內(nèi)不同高度截面的流體壓力分布云圖基本相同。

圖8 不同工況下振蕩管內(nèi)流體壓力云圖Fig.8 Pressure nephogram of the fluid under different working conditions

（2）溫度場。

中間振蕩與噴嘴接通和閉合過程中管內(nèi)非定常流動(dòng)流體的溫度分布如圖9所示。

圖9 中間振蕩管內(nèi)脈動(dòng)流體不同時(shí)刻靜溫分布云圖Fig.9 Static temperature distribution nephogram of the fluid in the middle oscillating tube at different moments

由圖9可知，當(dāng)高壓進(jìn)氣端口與波轉(zhuǎn)子通道逐漸接通時(shí)，高壓氣體射入振蕩管通道內(nèi)并產(chǎn)生了激波，隨著通道的旋轉(zhuǎn)，激波向通道右側(cè)快速運(yùn)動(dòng)，激波所到之處氣體溫度上升形成一條高溫帶，最高溫度達(dá)到372 K。當(dāng)中間振蕩管旋轉(zhuǎn)到與高壓進(jìn)氣端口閉合時(shí)會(huì)產(chǎn)生膨脹波，膨脹波作用下氣體溫度降低。同時(shí)，隨著振蕩管旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力以及管與噴嘴之間的漸開漸閉過程，管內(nèi)流體溫度在冷熱交界面發(fā)生了扭曲，說明冷熱氣體在接觸面強(qiáng)間斷附近發(fā)生了混合，這也使接觸面有一定寬度。此外，當(dāng)振蕩管與高壓、高溫端口同時(shí)接通時(shí)，管內(nèi)流體整體溫度較大，且靠近高溫端口的管內(nèi)溫度最高，這與振蕩管內(nèi)高溫氣體從高溫端口排出的設(shè)計(jì)原理一致。而當(dāng)振蕩管旋轉(zhuǎn)至遠(yuǎn)離高壓、高溫端口時(shí)，管內(nèi)流體溫度都相對(duì)較小，且靠近低溫端口的管內(nèi)流體溫度最低，實(shí)現(xiàn)了氣波制冷機(jī)中低溫氣體從低溫端口排出。

振蕩管與高壓噴嘴漸開、完全接通和漸閉時(shí)刻管內(nèi)不同位置流體的溫度分布云圖如圖10所示。

圖10 不同工況下振蕩管內(nèi)流體溫度云圖Fig.10 Temperature nephogram of the fluid under different working conditions

從圖10（a）中可以看出，當(dāng)振蕩管與高壓噴嘴部分接通時(shí)，振蕩管內(nèi)靠近高壓端口部分的流體溫度急劇上升，而遠(yuǎn)離高壓端口的流體溫度變化相對(duì)較小。同時(shí)，由溫度放大圖可知，振蕩管與高壓噴嘴漸開時(shí)靠近高壓端口的管內(nèi)流體沿通道寬度方向有很大的溫度梯度，這是由于射入管內(nèi)的高壓氣體分布不均勻?qū)е?，且不均勻氣體沿通道長度方向產(chǎn)生了漩渦，發(fā)生了冷熱氣體摻混，但是遠(yuǎn)離高壓端口的管內(nèi)流體沿通道寬度方向的溫度分布基本相同。從圖10（b）中可以看出，當(dāng)振蕩管與高壓噴嘴完全接通時(shí)，振蕩管內(nèi)流體溫度較大，且沿著振蕩管長度方向的溫度出現(xiàn)明顯不連續(xù)，同時(shí)管內(nèi)流體冷熱溫度交界面發(fā)生很大扭曲變形。另外，振蕩管與高壓噴嘴完全接通時(shí)管內(nèi)流體沿通道寬度方向的溫度分布基本相同。從圖10（c）中可以看出，當(dāng)振蕩管與高壓噴嘴漸閉時(shí)，振蕩管內(nèi)流體較高溫度均分布在靠近高溫出氣端口的振蕩管內(nèi)，同時(shí)，振蕩管與高壓噴嘴漸閉時(shí)管內(nèi)流體沿通道寬度方向有一定溫度梯度。此外，從圖11中可以看出，振蕩管與高壓端口漸開漸閉整個(gè)過程中振蕩管內(nèi)高度方向上的流體溫度分布基本相同，與壓力分布趨勢(shì)一致。

3.3 激勵(lì)載荷提取

研究高頻激勵(lì)載荷的精確獲取方法，掌握振蕩管內(nèi)氣體波動(dòng)誘發(fā)的激勵(lì)載荷特性，為氣波制冷機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和減振降噪等科學(xué)問題提供研究基礎(chǔ)?；诒疚拈_發(fā)的氣波機(jī)三維流體數(shù)值計(jì)算結(jié)果，提取得到振蕩管監(jiān)測點(diǎn)No.1～No.6對(duì)應(yīng)的壓力、溫度變化曲線如圖11，12所示。從圖11可以看出，振蕩管內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)No.1～No.6位置的流體壓力在-15～85 kPa之間劇烈波動(dòng)，其中壓力上升最快的是No.1，最慢的是No.6。一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)振蕩管中同一區(qū)域氣體壓力的波動(dòng)峰值隨時(shí)間增加逐漸減小，且No.1～No.6中氣體靜壓最后基本穩(wěn)定到0附近微弱波動(dòng)，管內(nèi)流體壓力恢復(fù)到初始狀態(tài)，完成一個(gè)周期的載荷變化。從圖12可以看出，振蕩管內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)No.1～No.6位置的流體溫度在253～360 K之間劇烈波動(dòng)，其中溫度上升最快的是No.1，最慢的是No.6。No.1～No.6的溫度時(shí)域圖中溫度最高的是No.5，最小的是No.1。No.1～No.6中最先穩(wěn)定并恢復(fù)常溫的是No.6，最后恢復(fù)常溫的是No.1，且振蕩管旋轉(zhuǎn)一周后，管內(nèi)流體溫度逐漸恢復(fù)初始狀態(tài)。

圖11 No.1～No.6對(duì)應(yīng)的管內(nèi)流體壓力時(shí)域Fig.11 Pressure time domain diagram of the fluid corresponding to No.1～No.6

圖12 No.1～No.6對(duì)應(yīng)的管內(nèi)流體溫度時(shí)域Fig.12 Temperature time domain diagram of the fluid corresponding to No.1～No.6

4 結(jié)論

（1）通過與振蕩管內(nèi)測取的壓力試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算模型的可靠性。

（2）氣波機(jī)振蕩管內(nèi)流體壓力的波動(dòng)范圍為-15～85 kPa，在高壓氣體開始射入振蕩管通道時(shí)會(huì)產(chǎn)生激波，激波向通道右側(cè)快速運(yùn)動(dòng)，激波作用下氣體壓力上升。振蕩管旋轉(zhuǎn)到與高壓端口閉合時(shí)會(huì)產(chǎn)生膨脹波，膨脹波作用下氣體壓力降低。

（3）氣波機(jī)振蕩管流體溫度波動(dòng)范圍為249～372 K，在激波作用下氣體溫度上升，膨脹波作用下氣體溫度降低，與高壓、高溫端口接通后的振蕩管內(nèi)流體溫度存在明顯分段。管內(nèi)氣體在冷熱間斷面發(fā)生了扭曲變形，說明冷熱氣體在接觸面強(qiáng)間斷附近發(fā)生了混合。

（4）根據(jù)開發(fā)的氣波機(jī)三維流體流動(dòng)數(shù)值計(jì)算模型，可以提取振蕩管內(nèi)任意位置的壓力、溫度隨時(shí)間變化曲線，再通過傅里葉變化，就可以形成振蕩管流致振動(dòng)激勵(lì)載荷，從而為氣波制冷機(jī)減振降噪問題研究提供支持。