【《耦合壁面材料对脉管制冷机的影响及Fluent数值模拟分析》18000字】

耦合壁面材料对脉管制冷机的影响及Fluent数值模拟分析TOC\o"1-3"\h\u146701绪论 2153901.1研究背景 2183741.2发展历史 3158661.3脉管制冷机的应用 7203621.4脉管制冷机的国内研究现状 8161991.5本文工作 9163762脉管制冷机的基本原理分析 11221742.1脉管制冷机的类型 11284612.1.1按照驱动方式划分 11235292.1.2按照布置方式划分 13201372.2脉管制冷机的工作原理 14304612.3脉管制冷理论 15148382.3.1表面热泵理论 15174372.3.2焓流调相理论 15224362.3.3热声理论 16178002.3.4数值模拟计算理论 1618243利用Gambit创建网格模型 18211193.1同轴型脉管制冷机模型结构 18271713.2Gambit软件介绍 19305603.3Gambit模型构建 20201853.4Gambit网格划分 2160993.5Gambit边界命名 23102133.6Gambit网格质量分析和导出 24274164Fluent数值模拟 25271254.1Fluent软件介绍 25276314.2Fluent参数设置 2588334.2.1导入模型并检查质量 25247644.2.2求解器的设置 26312044.2.3物理模型的设定 2614934.2.4材料的设定 2689544.2.5边界条件的设定 27294584.3UDF编写和导入 2932974.4Fluent运行计算 30243514.5分析结果 3139875结论 4213855参考文献 431绪论1.1研究背景将低温物体的热量传输给周围环境从而获得冷量的机器为制冷机。制冷技术在人们的日常生活的各个方面都有着极大的应用，最普遍的无疑就是食品冷冻和空调制冷了，不仅如此，它在工业生产，建筑工程，气体液化，医疗卫生，超导电子，军事航天探测，低温物理研究等领域都有着很重要的应用。在18世纪的后期，现代制冷技术开始发展起来。1755年，一位名叫库伦利的化学教师发现用乙醚蒸发水可以让水的热量减少使其温度降低而结冰，他的学生依此发明了冰量热器，这种让物体的热量转移给了周围环境的技术，是现代制冷技术的开始。一开始，人们只涉及到普冷方面，而并未向低温制冷迈进。在之后的几百年间，人们在普通制冷方面研究创新不断，19世纪，世界上有了第一台以乙醚为工质的蒸气压缩式制冷机，有了氨水吸收式制冷系统，蒸气喷射式制冷系统。20世纪，氟利昂制冷剂被发现并用于蒸气压缩式制冷循环，回热式除湿器循环等的出现，均推动了制冷技术的发展。并且普冷技术在生活中得以应用，如在食品工业链方面，从冷加工装置，大型冷库到冷藏运输汽车、轮船、飞机等，再到小型装配式冷库都需要低温制冷。在机械制造中，对材料进行低温处理改变其结构，达到人们需要的某一方面，可以提高材料的硬度和强度，或者使材料更具韧性等。另外，化学工业上要进行低温化学实验，在低温环境里对高要求的零件进行性能的模拟试验，使其能够适应各种高寒恶劣环境。低温制冷是将温度冷却到低于120K的制冷，而120K以下的低温制冷量对于低温材料加工，电子设备冷却和太空航天探测设备的研究等都有着重要作用。在火箭、航天仪器上的各种电子控制装置、发动机等零件需要适应寒冷的太空环境并保证性能稳定优良运行，还有其所需的液体燃料要用低温技术制取。低温技术在红外探测器上也有应用，一来对环境的高度要求，二来其设备要获得优良的探测结果离不开低温条件。低温技术更为低温方面的各个学科都有极大的促进作用，低温领域方面的声学、光学、电子学等，包括低温超导技术的发展都与低温技术分不开。每项应用领域都有其独特的技术要求，这也导致了低温制冷机在许多方面都有新的改进，在低温制冷领域不断开拓。低温制冷机分为开循环制冷、闭式循环制冷。开式循环制冷的工质经过一次制冷过程后直接释放到外部，造成浪费，效率低下；闭式循环的制冷过程中工质可以循环利用，性能优异。闭式循环制冷根据换热形式不同又分为回热式和间壁式制冷机。间壁式制冷机是循环流动的冷、热流体在固壁面分隔的流道中进行换热的，回热式制冷机在制冷过程中的冷、热流体周期性地流过同一回热器填料进行换热，其换热更为紧凑，效率更高。回热式制冷机有机械式驱动和热驱动两种驱动驱动方式的制冷机，热驱动式有维勒米尔制冷机，它的特点是用热量作为驱动源，无机械运动部件；机械驱动在脉管制冷机方面有斯特林脉管制冷机和GM型脉管制冷机。脉管制冷机的结构紧凑、振动小、磨损低、寿命长，它的冷端没有运动部件，在很多应用场合下，方便与其他结构进行连接，且连接更加可靠，满足了许多特殊场合对低温制冷可靠性的要求，应用潜力巨大。图1.1低温制冷机简单分类示意图1.2发展历史1963年美国的Gifford和Longsworth在研究GM型制冷机时，发现在一根空管内，使其一端封闭，当存在交变压力波时，沿管轴的方向可形成很大的温度梯度。采用压缩机提供交变压力波，装上回热器和冷端换热器，发现在回热器和脉管的交接处产生了制冷效应，这便是第一代的脉管制冷机，也称基本型脉管制冷机[1]。脉管制冷机的冷端是一根空心的圆柱管，称为脉管，没有了排出器，冷端无运动部件。图1.2基本型脉管制冷机结构图1983年，前苏联的Mikulin在基本型脉管制冷机的脉管热端换热器前加入小孔，在换热器后加入气库，对其结构进行了改革，并称该制冷机为小孔型脉管制冷机[1]。通过小孔和气库调节制冷机热端的质量流量，使其最低制冷温度降到了105K。后来有科学家用针阀代替小孔，置于热端换热器后面，直接调节脉管与气库的气体流量，获得最低60K的低温[3]。图1.3小孔型脉管制冷机 后来朱绍伟等人提出了双向进气型脉管制冷机，在压缩机出口和脉管热端附加一个阀门，直接将部分气流引入脉管而不经过回热器[4]。流经双向进气阀的这股气体直接改善了脉管的冷端相角并减小了回热器中的阻力损失和回热损失，提高了制冷性能。图1.4双向进气型脉管制冷机1994年，日本的Kanao等采用一根细长管实现了脉管制冷机冷端相角的调节，这根细长管称作惯性管[5]，发现低温惯性管可以解决低声功时室温惯性管调相能力不足的问题。惯性管可以利用管内振荡气流在高频运行下的惯性效应来调节压力波与质量流的相位差，不会产生直流，它的调相能力与脉管热端声功有关，声功越大，惯性管可提供的相角越大。图1.5惯性管型脉管制冷机2003年，LMATC研制出一台空间用35K两级脉管制冷机，采用L2010型压缩机驱动[6]。2004年，美国SierraLobo公司报道了一台在第二级回热器中使用了稀土磁性蓄冷材料的两级气耦合斯特林脉管制冷机[7]。2005年，德国吉森大学研制了一台气耦合式两级斯特林脉管制冷机[8]。该制冷机U型布置的冷头和采用双向进气、惯性管联合调相的第二级结构是它的亮点。而后，吉森大学又作出改进，保持冷头U型布置，但是第二级除采用双向进气、惯性管联合调相外，小孔也应用其中进行联合调相，并在第二级回热器中使用了镀铅丝网[9]。图1.6SierraLobo公司的两级脉管制冷机图1.7吉森大学两级脉管制冷机冷头2007年，中科院理化所研制了一台两级气耦合型脉管制冷机，最低温度可达16.1K，将利用同轴型结构替换了原来一级的U型结构，并在冷指部分设有辐射屏，二级回热器的低温段采用镀铅丝网，因为通过比较发现若采用不锈钢丝网的话，性能略差[10]。2009年浙江大学低温所研制出一台动磁式线性压缩机，并将其用于驱动自行设计的两级热耦合斯特林脉管制冷机，在输入电功400W时，获得了14.2K的最低制冷温度[11]。图1.8中科院热耦合型脉管制冷机图1.9浙江大学热耦合型脉管制冷机2015年，中科院理化所刘思学等采用液氮对脉管制冷机的热端进行预冷，在180W电功输入条件下，获得了675mW@20K的制冷性能[12]。2016年，韩国科学技术研究院的Jiho

Park等采用液氮对压缩机进行预冷，使制冷机获得了更低的无负载温度38.5K[13]。2017年，中科院上海技术物理研究所蒋燕阳等对两级同轴型脉管制冷机回热器与脉管壁换热的影响进行了分析并开展了相关实验[14]。结果表明，由于同轴型制冷机回热器与脉管之间存在热交换，对脉管预冷可使得两级同轴型脉管制冷机的性能优于同条件下的直线型脉管制冷机。图1.10同轴布置两级脉管制冷机结构示意图1.3脉管制冷机的应用在几十年前，小型低温制冷机就已经开始实际应用，尤其是在军事方面，发明的夜视红外探测器运用小型低温制冷机，温度低至80K左右，极大促进了军队夜间作战的发展，弥补了一些缺陷。之后在卫星和导弹的探测方面进一步应用低温制冷机，不断创新和突破，促进了小型低温制冷机在应用方面的发展。脉管制冷机除应用于军事用的夜视红外探测器，在火箭、卫星上也运用到脉管制冷机实用的红外探测器，包括太空电子设备在低温环境下的应用，超导磁体冷却和超导电子冷却的实际应用使得太空电子设备运行更加安全可靠，促进了在航空航天方面的发展。对于脉管制冷机的寿命、效率、抗干扰、可靠性和稳定性等方面都有了更高的要求，并使制冷机在这些方面不断改进和研究。2001年，美国宇航局在脉管制冷机方面提出了一个计划，为制冷机低温技术发展促进一大步。美国宇航局需要为多台探测器在6K和18K温区提供一定制冷量，并要求制冷机寿命大于10年，制冷系统总重量小于40kg，冷量波动小，具有尽量低的振动和电磁干扰。这些需求很难统一达成，而斯特林脉管制冷机却非常符合要求，它的紧凑的结构使系统重量减轻很多，同时其优异的抗干扰能力和高效率使得脉管制冷机在这一项目中大放异彩。现阶段，脉管制冷机在液氢和液氦温区有更加深入的研究。在液氢主要用于空间红外探测器的大容量、可靠、高效长寿的研究以及高温超导器件的冷却。而在液氦温区，研究主要是在超导磁体和超导器件中进行，还有对脉管制冷机进行低温物理试验，用以代替液氦。1.4脉管制冷机的国内研究现状（1）脉管制冷机的变截面新型结构。何雅玲等人在进行实验时，提出对脉管制冷机采用同轴型微型结构和双向进气，并且脉管采用阶梯型截面这一新型结构[15]。（2）缝隙回热器式脉管制冷机。何雅玲等人提出了一种新型的回热器脉管制冷机，其回热器采用缝隙式，使它的换热方式实现了左右回热，然后对它的数值模型进行了热力学工况数值计算分析[16]。（3）热声发动机驱动的脉管制冷机。一种新型的脉管制冷机，其采用发动机热声驱动，区别于传统的机械式驱动，孙大明等人对这一新型制冷机进行了实验研究，以这一新型研究成果驱动小孔型单级脉管制冷机，并以氦气作为工质，最终得到了119K的制冷温度，已经极为难得。（3）改进热声发动机驱动的脉管制冷机。为了提高制冷机的性能，达到更低的制冷温度，罗二仓等人改进设计了一种新型的驻波热声发动机驱动的脉管制冷机，同样氦气作为工质不变，将压比提高，然后使用改进的驻波热声发动机驱动同轴双向进气小孔型脉管制冷机，再对其参数设置进行调整，使二者能够完好匹配，最终获得了84.3K的制冷温度，完成了脉管制冷机改进的初衷。（4）新型的斯特林脉管制冷机。而胡剑英等人就发明了一种新型的斯特林脉管制冷机，在这一制冷机中，它的系统是活塞式压缩机作为驱动的，但是它要进行油润滑保持压缩机的正常工作，因此，为了确保压缩机产生的压力波进入制冷机和阻止润滑油进入制冷机，胡剑英等人巧妙地使用了一种弹性膜片完美解决了这两个问题。这一基于弹性膜片的斯特林脉管制冷机最终获得了29.8K的最低制冷温度。在脉管制冷机的研究过程中，无数科学家不断实验和创新，让我国的低温制冷技术方面和小型低温制冷机不弱于国际水平太远。1.5本文工作同轴脉管制冷机存在冷头流体弯折带来的损失，以及回热器和脉管的径向换热对制冷机制冷效率的影响。为提高同轴型脉管制冷机的性能，本文将对回热器和脉管的耦合壁面进行有效研究。通过Gambit划分网格模型，利用Fluent进行同轴脉管制冷机模型的数值模拟，研究耦合壁面材料不同的导热率和不同的粗糙度对制冷机性能的影响。通过改变耦合壁面的导热率，分析对制冷机性能的影响环形回热器壁面与脉管壁之间还有一层壁面，耦合壁面的三层壁面只需改变夹层壁面的导热率，回热器和脉管间的换热将会大大影响，因此需要改变该壁面材料的导热率去分析耦合壁面的特性对制冷机径向换热的影响。分析在同一种材料，改变导热率的情况下去分析高导热率对比低导热率的制冷机换热性能的差异，并得出几组不同的导热率换热性能最高的导热率是哪一组。本文对夹层壁面材料分别设置了三次，case1为1倍导热率的不锈钢材料，case2为100倍导热率的不锈钢材料，case3为0.001倍导热率的不锈钢材料，对三种材料进行不同的数值模拟计算，并对三种不同的导热率材料进行对比分析。通过改变脉管壁的粗糙度，分析对制冷机性能的影响环形回热器和脉管进行耦合的部分，改变主流区脉管壁面的粗糙度，分析在不同的粗糙度大小的影响下，氦气流动换热的影响，以便得出粗糙度的大小对制冷机换热性能的影响，为管壁面材料选择合适的粗糙度。本文对不锈钢材料的粗糙度设置分别为case4的0.02粗糙度和case5的0.1粗糙度，两种不同大小的粗糙度以及case6粗糙度为0的光滑通道进行对比分析。图1.11本文工作2脉管制冷机的基本原理分析2.1脉管制冷机的类型2.1.1按照驱动方式划分按照驱动方式来划分，脉管制冷机分为G-M型脉管制冷机、斯特林型脉管制冷机和热声驱动型脉管制冷机。G-M型脉管制冷机通过压缩系统提供稳定的高压源，在膨胀系统产生冷量。其实际上是利用带有阀的压缩机，进行连续的西蒙膨胀使绝热气体放气制冷，共有升压、等压充气、绝热放气和等压排气四个过程。G-M脉管制冷机的的特点是具有更高的制冷量和较低的工作频率，冷头振动小且便于安装，但是它的能量损失较高，体积较大。目前应用于低温泵、超导磁体冷却、氦液化器等方面。图2.1G-M型脉管制冷机结构示意图图2.2G-M型脉管制冷机斯特林型脉管制冷机是一种按逆向斯特林循环工作的制冷机。它由回热器、冷却器、冷量换热器、膨胀腔和压缩腔组成。它的循环所经历等温压缩、定容放热、等温膨胀和定容吸热四个过程，其中等温膨胀过程进行制冷，理想状态的制冷量即为膨胀功。斯特林脉管制冷机的结构紧凑、制冷效率高、操作简便并且采用线性压缩机作为驱动装置使得它的体积小，适合应用于各种微型制冷机的场合。目前其发展由单级到多级，创造了多缸制冷机，驱动方式也更加多种多样，在温度极低的液氮温区附近进行小制冷量应用。图2.3单级斯特林脉管制冷机结构示意图图2.4斯特林型脉管制冷机热声驱动型脉管制冷机是一种区别于其他驱动方式的脉管制冷机，它没有机械驱动的压缩机而是基于热声效应工作的，即为热声制冷。它主要利用热声振荡产生压力波来驱动脉管工作，其在低温下没有机械运动部件不仅减少了空间，而且其具有结构简单、运行稳定、电磁干扰小、可靠性高以及环保等优点。目前热声驱动型脉管制冷机技术尚不完善，但在能源和低温领域有着广泛的应用前景，是研究人员研究的热点，不断对其创新和完善。图2.5热声制冷机的装置示意图图2.6热声驱动型脉管制冷机2.1.2按照布置方式划分按照制冷机中回热器和脉管的相对布置方式划分，脉管制冷机包括直线型脉管制冷机、同轴型脉管制冷机和U型脉管制冷机。直线型脉管制冷机，即回热器和脉管连接在一条直线上，结构简单且制冷效率高，如图b。流体工质从回热器直线流入脉管，简单高效，除与外界环境的换热影响并无其他损失。但是它的缺点在于直线型的结构使其尺寸较大，在其他结构的布置上稍显复杂，尤其是冷头结构处于直线型结构的中央位置，与其他结构难以耦合，对条件要求较高。同轴型脉管制冷机布置的布置方式如图c所示，它的回热器包裹着脉管并处于同一轴线上，这样的布置方式使其结构紧凑，适合用于对空间尺寸要求较小的场合。另外回热器包裹脉管这种结构，一定程度上使脉管隔绝了外界环境温度的影响，而冷头处于末端，容易与其他结构进行耦合获取制冷量。但是它的缺点在于制冷效率低下，一来在冷头部分工质要进行弯折流动，阻力极大，二来脉管与回热器接触部分要进行大量的换热，这一热损失也极大影响了其制冷效率。U型脉管制冷机的结构如图a所示，是回热器和脉管并列布置的。它的结构尺寸要远远小于直线型，同时脉管与回热器并列通过U型管连接，工质在弯道的回流损失和阻力损失都减小，效率高于同轴型，但是同样低于直线型的制冷效率，是一种介于直线型和同轴型之间的结构。图aU型脉管制冷机图b直线型脉管制冷机图c同轴型脉管制冷机图2.7不同的脉管制冷机的结构示意图2.2脉管制冷机的工作原理基本脉管制冷机结构如图2.8所示，包括压缩机、回热器、脉管，以及切换阀、导流器、负荷换热器和水冷却器。它是通过充气压缩和放气膨胀来获得制冷量的。其工作原理是：压缩机对气体进行压缩后，高压气体进入处于进气状态的切换阀，经过回热器进行冷却，达到制冷温度的气体微团经由层流器保持层流状态进入脉管内，之后不断有气体微团进入脉管，进行充气压缩。脉管中的气体被压缩至水冷却器，由冷却水对脉管内的气体微团进行冷却降温，关闭切换阀进气静止一段时间后再将其进行排气，高压气体向负荷换热器流通，并膨胀降温，最后在负荷换热器处吸收外界热量达到制冷效果，然后进行周期性循环。脉管制冷机的特点有：安全可靠、结构简单、效率高、对振动和电磁抗干扰能力强、工作时间长、冷端无运动部件；但是冷头安装受限，朝下安装以方便与其他部件连接。图2.8基本脉管制冷机循环过程的气体温度分布1.切换阀；2.回热器；3.负荷换热器；4.脉管；5.水冷却器；6.导流器2.3脉管制冷理论2.3.1表面热泵理论表面泵热原理[17]，基本型脉管制冷机主要依靠脉管壁面与气体间的相互传热，即表面泵热效应将热量从冷端传到热端，脉管中部绝大多数气体并没有参与制冷，因此其制冷效果受到限制。制冷机中的气体微团工质，在冷端吸收热量，送至热端，之后再热段吸收冷量送至冷端，从环境中吸收热量，进行周期性制冷工作。从微观角度来看，表面泵热原理基于拉格朗日视角，定性解释了基本型脉管的制冷机理。但由于泵热的局限性，泵热原理不能用于解释随后发展起来的制冷性能远高于基本型脉管制冷机的各种调相型脉管制冷机。2.3.2焓流调相理论为解释小孔型脉管制冷机性能提升的机理，Radebaugh提出了焓流调相理论[18,19]。焓流调相理论给出了脉管制冷机制冷量的表达式，并从中引出了相角这一对制冷机性能起决定性影响的参数。根据焓流调相理论，小孔型脉管制冷机性能得以提升正是因为小孔和气库的存在改善了基本型脉管冷端原本接近90°的相位，使得脉管内时均焓流增大，即理论制冷量增大。焓流调相理论合理地解释了交变流下脉管制冷机的工作机理，并且得出应该对脉管冷端压力波和质量流进行适当的调节，采用相移器适当调节其相位差才是脉管制冷机今后发展的道路。目前，单级GM脉管制冷机运用双向进气调相制冷温度最低达到10K左右[20]，其两级结构可在4.2K有1W以上的制冷量。脉管制冷机的性能运用双向进气的方式显著提高，成为当前脉管制冷机广泛使用的调相形式。2.3.3热声理论热声效应是热能与声能之间相互转换的现象。它是由于处于声场中的固体介质与振荡流体之间的相互作用，从而导致在距离固体壁面一定范围内产生沿着声传播方向的时均热流和时均功流。1777年，ByronHiggins首先发现了“歌焰”现象，将气体火焰放在两端开口的垂直管的合适位置，管中能够激发出声音，尤其是在管子的固有模态被激发时，更容易产生强烈的声音，这就是最早期的热声现象[21]。中科院理化所的肖家华博士将适用于驻波声场的热声理论推广到一般声场，根据固体外壁面与外热源不同的热接触情况，将热声效应划分为：等温热声效应、绝热热声效应和一般情形的热声效应三种情况，并分别建立了一般声场下等温热声效应和绝热热声效应的波动方程[22]，还对多孔介质扰动场方程和波动方程进行了推导，肖家华初步建立了回热式制冷机热声理论框架，他的工作在当时处于热声研究的国际领先水平，为我国的热声研究奠定了理论基础。2.3.4数值模拟计算理论除了基于各种理论对制冷机理展开的定性分析，还有基于计算流体力学的数值模拟法，简称CFD，对脉管制冷机的回热器工作本质进行了定量研究。区别于传统的热力学分析法，CFD通过划分网格，给定边界条件，建立质量、能量和动量守恒方程，建立离散化方程来求解，更具有一般性和通用性，能反映制冷机内部实际工作过程和具体参数。（1）建立网格化模型。对一种制冷机模型进行理论分析时，首先应该建立该制冷机的几何模型，对其进行网格划分，以方便对其进行数值模拟和流动情况的分析。在创建模型时同样要基于实验事实和物理概念对其进行构造，划分合适的网格数量等；（2）确定边界条件。确定模型的各个部件名称、壁面边界、流体的进出口边界条件等，正确的设定边界条件是进行数值模拟计算的重要前提和成败关键；（3）确定物理模型和离散化方程。对流体的状态进行设定，是否为粘性、是否可压缩、层流或湍流等，对流体方程进行创建，能量方程、动量方程和质量方程等都不可或缺。然后要将方程离散化，运用有限差分法、有限元法、有限体积法等对方程进行离散化；（4）流场求解计算。对数值模型的细致化参数设定，选择计算方法，迭代方法、松弛系数等，使程序具有通用性和灵活性。

3利用Gambit创建网格模型3.1同轴型脉管制冷机模型结构同轴型脉管制冷机的结构主要由压缩腔、主室温换热器、回热器、冷头、脉管、次水冷换热器、膨胀腔组成，其中主室温换热器、回热器、冷头、次水冷换热器都是多孔介质模型，回热器中填充大量丝网，具体结构参数如表3.1。同轴型脉管制冷机将中空的脉管同轴布置在回热器中心，并与回热器的壁面耦合，二者壁面间夹着一薄薄的壁面，其冷头布置在末端，不仅结构紧凑，减小了布置空间而且冷头方便与其他结构耦合获取冷量。这种设计区别于直线型的脉管制冷机，冷头设置在中间，两端分别连接回热器和脉管，使得冷头与其他设备耦合时有极大的局限性，同轴型却极为方便。图3.1同轴型脉管制冷机结构示意图如图3.1为本文的同轴型脉管制冷机结构示意图，压缩机连接着压缩腔前端入口，膨胀腔出口连接惯性管和气库。将回热器和脉管部分进行数值模拟计算，为计算方便，本文在脉管中心轴处进行截取，采用二维模型将半个截面进行几何建模和数值模拟计算。图3.2同轴型脉管制冷机截面示意图表3.1同轴型脉管各部件结构参数名称尺寸压缩腔直径20mm,长度40mm主室温换热器AHEX（线切割型）直径20mm,长度30mm回热器REG（丝网型）直径20mm,长度34.5mm冷头CHEX（线切割型）长度9.5mm脉管PT直径10mm,长度54mm次水冷换热器（丝网型）直径10mm,长度6mm膨胀腔直径10mm,长度15mm3.2Gambit软件介绍Gambit软件是用来进行网格化模型的创建的，其主要功能包括几何模型的构建，模型划分网格和边界条件的命名。其最终创建出的网格化模型一般都是为了进行数值模拟计算的，因此它可以认为是数值模拟软件Fluent的一个前处理软件，当然同样为其他多种数值模拟软件所服务。Gambit软件的基本功能几何建模可以对二维和三维模型进行创建，二维模型即点线面的创建，三维模型即点线面体的创建。其创建几何模型的操作较为基础和简单，深受许多人的喜欢。而它在划分网格上网格能根据要求自动划分一些网格，有良好的自适应功能，使用灵活，划分快速。对边界和区域的命名可以使人直观的认知该网格模型，方便对之后的数值模拟分析进行边界条件的设定。此外，Gambit也可以导入其他软件划分的模型，如在CAD软件中进行复杂的三维模型创建，导入Gambit中进行网格划分，为数值模拟计算作基础。当然，与Gambit软件拥有相同功能的软件也有很多，如ICEMCFD、WorkbenchMeshing等，都可以进行简单快速地划分网格，作为Fluent软件的前处理软件。3.3Gambit模型构建本文的同轴型脉管制冷机采用建立二维模型去进行数值模拟，因此几何模型的创建可以由点到线，由线到面地进行依次生成。因为有模型的具体结构参数，可以选取一处恰当的原点坐标，计算出该模型每一处节点的坐标参数，然后在Gambit里根据坐标参数创建出每一个节点，省时省力。然后直接通过点与点的连线直接来创建一条条直线，将所有直线创建成功，可以直接选定四条直线构成一个面，最终将几何模型的每个面都创建成功，得到了基本的几何模型框架。图3.3几何模型框架图该二维模型是关于x轴对称的空间三维模型的截面示意图，包括了回热器和脉管等各个部件和它们的壁面，而在回热器和脉管的耦合壁面处，有一夹层壁面，厚0.05mm，回热器和脉管壁面厚0.1mm，回热器和脉管通过耦合壁面可以进行热交换，本文主要研究这块的耦合壁面对制冷机性能的影响。图3.4回热器和脉管耦合壁面图3.4Gambit网格划分当几何建模完成后，进行网格划分。在这个环节中，网格划分的质量，选用的单元类型等，都对模拟计算的结果至关重要。划分网格需要每个区域逐个去进行划分，而在本文模型的同轴型脉管制冷机中，流体在流场中的流动受壁面边界的限制，流体在靠近壁面时，速度的变化梯度很大，若壁面处的网格同其他区域网格一样，则无法准确捕捉这些速度。因此对壁面和各部件连接口进行网格加密，设置更加稠密的网格。在划分壁面边界层网格时，首先要选定一处壁面的边，边界层方向朝着主流区域进行划分，然后确定边界层共要划分的总层数，第一层网格选取合适的厚度，每层网格增长的比例因子，使得壁面两侧向内的边界层网格留出一定空间的主流区域，在主流区域划分平行网格。在本文的几何模型中，壁面边界层设置为24层，第一层网格厚度0.012mm，比例因子为1.15倍，厚度2.21mm。各部件连接处边界层划分方法同壁面边界层相同，其设置为共划分8层或6层，第一层网格厚度0.05mm，比例因子1.5倍，总厚度分别为2.4629mm和1.0391mm。划分网格过程中可以通过网格复制等方法进行其他区域的网格快速划分，将每个区域的边界层网格划分完成后，对剩余的主流区网格进行填充即可。本文的网格全部为四边形的正交网格，这样的网格在模拟是有较高的稳定性和准确率。图3.5壁面边界层网格划分示意图图3.6部件连接处边界层网格划分示意图图3.7边界层网格划分示意图图3.8几何模型网格划分示意图3.5Gambit边界命名在完成模型的几何建模和网格划分后，还要对制冷机模型的各个边界进行命名，以及它的各个结构部件区域包括壁面区域等进行区域类型命名。本文所使用的Gambit软件为2.4版本，其拥有默认的求解器为Fluent5/6，可以直接应用到后面的fluent数值模拟计算中。这一求解器提供了多种边界类型，如图3.9所示，一般较为常用的有壁面边界、轴边界、对称边界、速度边界等，还有质量流、压力入口边界和质量流、压力出口边界。图3.9边界类型在本文的二维模型中，实体边界为每条线，由于本文的二维模型只是三维模型截面的一半，为了实验方便快捷，只进行这一半截面的数值模拟计算，它有一个中心轴，绕中心轴旋转一周就是完整的三维结构模型，因此将其设置为轴边界。进出口边界没有在这里进行命名，会在UDF中进行对其进行命名和物性参数的设置。其他边界都为壁面边界，并对每条边界依据模型的结构进行命名。Fluent求解器拥有Fluid和Solid两种区域类型，在本文模型中，还需将工质氦气流通的各个区域进行流体类型的指定，并将其它剩余的壁面和夹层壁面都设置为固体区域。对几何模型的边界和区域进行命名，方便了在Fluent数值模拟中进行参数的设定。3.6Gambit网格质量分析和导出Gambit软件拥有网格质量检查的功能，选择四边形网格对本文模型进行质量分析，该同轴型脉管制冷机的网格数量共有20679个，其中每个网格的歪斜度指标都在0到0.1之间，说明本文的网格模型质量极好。网格文件的导出和保存也是非常必要的，在下一个环节的Fluent中进行数值模拟时需要导入当前所做的网格模型，其只能读取Gambit的msh文件。当网格划分和边界命名全部完成时，网格质量也没有问题，可以直接将msh文件导出进行保存。另外可以将网格模型保存为dbs文件，将带有边界信息的网格模型存盘，方便之后进行修改。

4Fluent数值模拟4.1Fluent软件介绍Fluent软件是用于对网格化的几何模型进行数值模拟计算的，包括流场流动、热传递和化学反应问题等都可以用Fluent进行计算，功能全面，应用普遍。Fluent软件主要对于非结构性网格进行模拟，其功能有很多，它可以对多种前处理软件的网格模型进行导入，对于网格数量有极强大的支持能力，拥有非常实用的求解器，丰富的物理模型和多种求解计算方法，同时还自带对计算结果的后处理功能，拥有UDF接口，方便用户对物性参数进行自定义，以符合计算要求。Fluent软件的稳定性好，计算精确度高，其强大的多重网格加速收敛能力使其计算能力及其强大，高效率的并行计算使得数值模拟计算速度快，高效省时。同时，它的应用范围涵盖了几乎所有的流体模拟计算领域，适用范围广泛。4.2Fluent参数设置4.2.1导入模型并检查质量将前处理软件Gambit中的网格化模型导入，在Fluent中可以对模型进行检查网格质量、数量等。其可以直观地看出模型的相关参数，x、y轴的坐标范围，对体积的统计，面积区域的统计，包括最大和最小的二维单元体积，最大和最小的面积区域。若其所有值都为正值，则表明模型没有错误，若最小体积值为负值时，即存在一个或多个单元有不合适的连通性。网格质量的检查，包括最小的一个正交网格质量，质量范围从0到1，接近0的值为低质量，而最大正交歪斜率则是接近1的值质量最差，还有最大纵横比也可以查看。本文模型网格数量为20679个，21821个节点。图4.1Fluent软件的模型结构4.2.2求解器的设置Fluent软件拥有基于压力法的求解器、基于密度法的显示和隐式求解器。本文模型的流体工质为不可压缩氦气流体，因此对于求解器要选择基于压力法的求解器，本文的模型结构决定了二维模型选择轴对称模型，流场求解计算要求速度公式选择绝对速度，时间模型选择为瞬态。4.2.3物理模型的设定在求解器设置完成后，根据要求解计算的问题，选择合适的物理模型。本文只需选择能量方程和湍流模型进行求解计算即可。在能量模型设定面板只需要激活能量方程，允许Fluent进行能量方程计算即可。Fluent软件的提供湍流模型内包含了许多模型，其中最常用的是标准k-ε模型，而本文的流动计算受到壁面限制，因此选择标准k-ω模型，其对于近壁区的计算效果优异，拥有较好的精度和稳定性。图4.2湍流模型分类4.2.4材料的设定在进行数学模拟的过程中，物性参数的设置十分关键的一步，因为在研究模型中，每一处都需要设置不同的材料，包括各处壁面的固体材料和管内流动的流体。在物性参数设置的材料面板中只有系统默认的流体材料空气和固体材料铝，因此我们需要自己新建材料并进行参数的设定。本文模型所需要的一些材料，首先便是在管内流动的流体氦气，在膨胀腔、压缩腔、回热器、脉管、次水冷换热器的壁面材料都需要不锈钢材料，在主室温换热器和冷头壁面处需要铜材料。而在夹层壁面处根据本文需要，设置三种不同导热率的不锈钢材料，进行对比。在主室温换热器和次水冷换热器中的填充材料则设置另外的不锈钢和铜。材料的物性参数有很多，包括密度和分子量、粘度、比热、热传导系数、质量扩散系数、标准状态下的焓、分子动力论参数。对于氦气这一流体来说，需要设置较多的参数，如密度、比热、热传导系数、粘度、分子量都要设定。氦气的密度可以直接将其设定为理想气体，比热和分子量不进行更改，使用fluent中氦气的默认值，对于氦气的热传导系数和粘度利用UDF进行编写。对于不锈钢和铜的固体材料只需要设定其密度、比热、热传导系数即可，密度是材料的默认密度值，热传导系数通过UDF进行编写，方便对不同的导热系数进行设置。4.2.5边界条件的设定（1）单元区域条件设定单元区域即模型所有结构的各个面，包括膨胀腔、压缩腔、回热器、脉管、冷头、主室温换热器、次水冷换热器，以及它们的壁面，尤其是耦合壁面处的三层壁面，脉管壁面，回热器壁面和二者壁面之间的夹层壁面，都需要进行参数设定。同轴脉管制冷机模型各个部件需要进行材料设置和多孔介质模型设置。其材料指的是通过各区域的流体材料，本文模型所有结构只流通氦气，因此将所有区域的材料设置为流体氦气。多孔介质模型需要对主室温换热器、回热器、冷头、次水冷换热器四个区域进行设置。孔隙率、粘性阻力系数、惯性阻力系数为多孔介质模型的主要设置参数，回热器和次水冷换热器管内填充丝网，分别为新型的不锈钢丝网和新型的铜丝网，材料设定处已将其创建完成，0.2倍导热系数的新型不锈钢和0.2倍导热系数的新型铜，可将其导入此处回热器和次水冷换热器的填充材料。各个部件都有不同的孔隙率、粘性阻力系数、惯性阻力系数，具体参数如下表所示。多孔介质段为层流模型，除换热器，所有固壁面边界均为绝热，多孔介质热平衡模型TE，换热器固壁定温度。在多孔介质模型的设置中，粘性阻力系数(1/K)和惯性阻力系数C2是两个十分重要的参数，对数值模拟计算的结果有很大的影响，因为回热器和换热器的阻力特性就是由它决定。计算公式如下：f=(dp/dx)d−dP−d1/K=AC2=各部件壁面区域的设定主要是进行壁面材料的确定，本文模型中，除主室温换热器壁面和冷头壁面采用铜材料外，其他的壁面均采用不锈钢材料。而在本文的研究中，不同导热率的耦合壁面材料对径向换热的影响，所需要进行耦合壁面材料的设置，就在单元区域设定。耦合壁面的三层壁面只需改变夹层壁面的导热率，回热器和脉管间的换热将会大大影响，因此需要对夹层壁面材料分别设置三次，1倍导热率、100倍导热率、0.001倍导热率进行不同的数值模拟计算，对三种不同的导热率材料进行对比分析。表4.1多孔介质模型设置部件孔隙率ε多孔介质模型粘性阻力系数1/K(1/m2)惯性阻力系数C2(1/m)主室温换热器AHEX0.21固壁300K,TE,dh=0.25mm轴向：914285714.29垂直轴向：914285714.290回热器REG0.6622TE,导热修正ακ=0.2,18微米丝径不锈钢丝网轴向：121792481948.67垂直轴向：81918856704.87轴向：87247.58垂直轴向：48858.64冷头CHEX0.1667固壁77K,TE,dh=0.2mm轴向：4497751124.44垂直轴向：4497751124.440次水冷换热器SHEX0.6974固壁300K,TE，40目紫铜丝网，230微米丝径轴向：465967574.49垂直轴向：313414509.28轴向：5064.963垂直轴向：2836.379换热器阻力参考f=96/Re;回热器、导流层阻力参考f=200.837/Re+1.35;f=135.085/Re+0.756边界区域条件设定本文模型中，首先正确定义轴边界的位置，它是脉管与回热器耦合壁面处的另一侧，它并不是真实存在的壁面，绕轴边界旋转一周是完整的环形回热器与脉管，为脉管的中心轴。本文流体入口边界条件为质量流入口，其质量流模型导入UDF自定义的质量流入口条件；流体出口边界条件为压力流出口，同样导入UDF中自定义的压力流出口条件。依次设置各个壁面边界和单元区边界的材料、温度等，主室温换热器壁面和冷头壁面边界材料为铜，其余都为不锈钢材料，冷头边界温度为77K，主室温换热器和次水冷换热器壁面边界温度300K，所有固壁面边界均为绝热。关于本文耦合壁面特性对进行换热的影响，需要进行的对脉管内面边界不同的粗糙度是否影响制冷机性能，其影响有多大这一研究，需在此进行脉管与回热器耦合壁面处脉管管道内面边界进行不同粗糙度的设定，由于回热器为多孔介质模型，并填充丝网，所以不需要更改粗糙度。脉管壁面材料为不锈钢，其粗糙度值范围在0.02到0.1之间，一般的不锈钢材料粗糙度为0.046。本文将对比粗糙度为0.02的脉管壁和0.1的脉管壁以及完全光滑的脉管壁面对制冷机性能产生的影响。4.3UDF编写和导入UDF是用户自编的C语言程序，其函数使用DEFINE宏来定义，可以动态链接到Fluent解算器中。因此经常用来对Fluent中的数值模型进行边界条件、材料物性进行自定义，甚至能够修改计算模型，计算中调节计算值。加载UDF后，与UDF的链接会记录在case文件中。UDF中要对本文模型的质量流入口、压力流出口的进行定义。对于材料的定义包括流体氦气的定义，对其导热系数、粘度的进行自定义。由于导热系数在模拟计算时会受温度的影响而变化，因此必须要在UDF中对其进行自定义，最后将其解释或编译到Fluent中。对于固体不锈钢和铜，要对它们定义不同的导热系数，对铜材料要通过公式定义出原本的导热系数值，以及自定义0.2倍大小的导热系数的新材料铜，不锈钢材料同样要定义出其导热系数并自定义0.2倍，0.001倍，100倍大小的导热系数，其中0.001倍和100倍大小的导热系数新不锈钢材料是为了设定夹层壁面，研究不同导热率的耦合壁面最终对制冷机性能的影响。质量流入口边界条件F_PROFILE(f,thread,position)=2*M_PI*100*5.68e-3*5.624*sin(2*M_PI*100*t)压力流出口边界条件F_PROFILE(f,thread,position)=293600*sin(2*M_PI*100*t-1.035796327)关于UDF对Fluent动态连接有两种方式：解释函数和编译函数。解释函数是通过Fluent中的解释器进行解释，无需另行安装C编译器，较为便捷。有源代码和速度方面的限制，用于简单函数，例如压力进出口、速度入口边界条件定义，非比热物性等。而比热和动网格边界所采用宏不能用解释型导入，要利用编译函数进行编译，执行较快，没有源代码限制，但是它需要安装C编译器，将其文件加载到Fluent进行编译，解释型UDF也可以通过编译型导入。4.4Fluent运行计算在开始进行计算求解前，必须为流场设定初始值。选择标准初始化，并对全局进行初始化条件设定，初始值包括表压，轴向速度，径向速度，湍流动能，比耗散率和温度。将全区域温度设为300K，进行初始化。在回热器和脉管设置线性温度梯度，从主室温换热器和次水冷换热器到冷头，使其温度实现由300K到77K的线性温降，将冷头温度设置为77K。边界条件和初始化条件等一切条件都设置完成后，需进行求解设置。本文模型操作压力为3.5MPa,频率为100Hz，时间步长大小为0.0001s，需要求解的时间步数为20000，每个时间步内的最大迭代计算次数为20次。设置完成后，则可以开始进行数值模拟运行计算。图4.3初始化温度云图图4.4计算过程中的残差图图4.5计算中的温度云图4.5分析结果对回热器和脉管分别设置5个监测点，对回热器和脉管的温度、压力、声功和焓流进行监测，另外对主室温换热器、次水冷换热器也进行温度、压力、声功、焓流以及速度的监测，对冷头壁面进行热流的监测，还有对进出口进行压力和速度的监测。对Fluent数值模型计算40万步后，比较这200个周期的后50，其收敛并稳定，于此基础上再次进行10个周期的运行计算，得出对以上监测点所对应的监测值，对结果进行整理和分析。不同导热率的耦合壁面对径向换热的影响表4.2材料导热率的设置项目位置材料导热率W/（m∙℃）备注Case1耦合壁面夹层薄壁不锈钢k随温度提高导热率增大Case2耦合壁面夹层薄壁不锈钢100kCase3耦合壁面夹层薄壁不锈钢0.001k同轴型脉管制冷机中的工质氦气在脉管和回热器中流通，其存在沿轴向的温度梯度，与直线型结构相比，同轴型脉管和回热器耦合壁面处只有一层薄薄的不锈钢壁面，那么就存在回热器和脉管之间的径向换热，如此便会影响制冷机的性能。如图4.6到图4.8为耦合壁面处三种不同的不锈钢薄壁，回热器和脉管的温度梯度沿轴向位置的变化。从图中可以看出case1（1倍导热率）的回热器和脉管温度梯度曲线极为靠近，径向换热效果明显。与之相比，case2（100倍导热率）的回热器和脉管温度梯度曲线同样温差极小，说明导热率的增大对径向换热的影响并不是很大，微小地促进了径向换热。而case3（0.001倍导热率）的回热器和脉管温度梯度曲线的温差，相比之前两组数据更大，说明导热率的减小对径向换热效果有所削弱。综上所述，1倍导热率的不锈钢材料其脉管和回热器的径向换热作用较强，温度梯度曲线非常靠近，温差小；增大到100倍的导热率时，径向换热作用已经极难有很大的增强，因此其温度梯度曲线与1倍导热率曲线相仿；而减小到0.001倍的导热率对径向换热作用减小，温差变大。图4.6耦合壁面材料为case1的温度梯度图4.7耦合壁面材料为case2的温度梯度图4.8耦合壁面材料为case3的温度梯度如图4.10为三种导热率材料其回热器温度随位置变化的曲线，在回热器中温度会随着氦气流通方向而不断减小，并且看出随着耦合壁面导热率的改变，对回热器中的温度梯度没有影响。如图4.12为三种导热率材料其脉管中的温度梯度分布，在脉管中温度会随位置的轴向加深而愈发减小，也认为随着氦气流通方向而温度增大。并且耦合壁面材料导热率的变化会使脉管温度梯度有所变化，导热率较高的case1和case2温度梯度较高且接近，case3为0.001倍的导热率，其脉管温度较低，说明回热器对脉管的换热效果较差，材料导热率确实影响了回热器和脉管的换热。图4.9不同耦合壁面材料导热率的回热器中温度梯度图4.10不同耦合壁面材料导热率的脉管中温度梯度如图4.11为在三种不同的导热率耦合壁面材料的影响下，回热器和脉管中的声功曲线，由图可以看出，在回热器中，声功会随着轴向位置的增大而减小，由开始的100W声功下降到了25W左右。而脉管的声功会随着轴向位置的变化而比较稳定，增长微小，即氦气在脉管中流出时，声功微弱减小。图4.11不同导热率的回热器和脉管中的声功如图4.12为在三种不同的导热率耦合壁面材料的影响下，回热器和脉管中的焓流曲线，由图可以看出，脉管中的焓流会有很大的波动，而且导热率更小的耦合壁面材料影响回热器和脉管换热，脉管焓流变化相对更大，而回热器中焓流曲线相对稳定，稍微有所增长。图4.12不同导热率的回热器和脉管中的焓流表4.3不同导热率的制冷机制冷量项目导热率W/（m∙℃）Qcold1/WQcold2/WQcold3/W制冷量WCase1k-3.020.002414.4811.46Case2100k-3.060.002414.5011.44Case30.001k-2.350.002614.3211.98根据对三种不同导热率材料情况下对冷端制冷量的计算，得出的结果如表4.3，case3制冷量最多为11.98W，case1和case2的制冷量为11.46W和11.44W，二者制冷量接近。得出耦合壁面导热率越小，径向换热作用越差时，制冷量越多，制冷机性能越好。不同的脉管壁粗糙度对径向换热的影响表4.4材料粗糙度的设置项目位置材料粗糙度/mm备注Case4脉管内壁面不锈钢0.02新钢管取值在0.02-0.1mmCase5脉管内壁面不锈钢0.1Case6脉管内壁面不锈钢0如图4.13到4.15为三种不同的脉管壁粗糙度，回热器和脉管温度梯度沿轴向位置的变化。在三个粗糙度项目的温度梯度图像中，脉管和回热器曲线都很靠近，温差很小，并且三者径向换热作用都很接近，说明脉管粗糙度对径向换热的影响不是很大。但是粗糙度为0.02和粗糙度为0.1的脉管壁与粗糙度为0的脉管壁进行温度梯度比较时，光滑壁面的温度梯度曲线温差更小，回热器和脉管的换热效果更好。图4.13脉管壁粗糙度case4的温度梯度图4.14脉管壁粗糙度case5的温度梯度图4.15脉管壁粗糙度case6的温度梯度如图4.16为比较三种脉管壁粗糙度的回热器温度梯度的曲线，结果发现无论是光滑的脉管壁还是或大或小的粗糙度脉管壁，其对回热器中的温度梯度没有影响，都随着轴向位置的增加而减小。图4.17中三种脉管壁粗糙度的脉管温度梯度的曲线同样如此，粗糙度对脉管温度梯度的影响很小，也能看出光滑壁面的脉管中温度最高。图4.16不同脉管壁粗糙度的回热器温度梯度图4.17不同脉管壁粗糙度的脉管温度梯度如图4.18是三种不同的粗糙度脉管壁面对回热器和脉管中声功的影响，从图中可以看出回热器中的声功曲线随轴向位置的深入而减小，脉管中的声功曲线较为平稳，随声功曲线的深入只是略微增加，由于脉管中氦气流通方向与x轴相反，因此脉管的声功随氦气的流出而略微减小。回热器中的声功大约从105W左右下降到25W左右，脉管声功温度在20W左右，并且脉管壁粗糙度为0的case6实验在回热器和脉管中的声功曲线都要略高于其两种情况。图4.18不同的脉管壁粗糙度回热器和脉管中的声功如图4.19为三种不同的粗糙度脉管壁面对回热器和脉管中焓流的影响，在回热器中三种粗糙度的焓流曲线都较为接近，并且都随轴线位置的增长而增长，但是粗糙度为0的case6光滑脉管壁其回热器中焓流仍要稍大于其他两种粗糙度的情况，说明脉管壁的粗糙度对于回热器焓流的影响很小。而脉管中的焓流情况有些不同，粗糙度为0的case6实验脉管焓流值比粗糙度为0.02的case4实验和粗糙度为0.1的case5实验都要大，而case4和case5二者脉管焓流几乎一致，说明光滑脉管壁对焓流影响更大。三者焓流曲线都在波动，case6焓流值随轴向位置深入而稍有增长，其他粗糙度的焓流曲线向下波动减小。图4.19不同的脉管壁粗糙度回热器和脉管中的焓流表4.5不同粗糙度的制冷机制冷量项目粗糙度/mmQcold1/WQcold2/WQcold3/W制冷量/WCase40.02-3.130.002414.5111.38Case50.1-3.150.002414.5211.37Case60-3.020.002414.4811.46如表4.5根据对三种不同粗糙度脉管情况下对冷端制冷量的计算，脉管粗糙度为0.02和0.1的制冷机制冷量为11.38W和11.37W，极为接近，而光滑脉管壁的制冷机制冷量为11.46W，三种情况下制冷量最高，得出粗糙度越小时，制冷量越多，制冷机性能越好。5结论本文主要介绍了脉管制冷机的发展、应用和机理理论等，并对同轴型的脉管制冷机进行深入探究，研究同轴型脉管制冷机回热器和脉管耦合壁面对径向换热的影响，通过对制冷机的理解使用Gambit进行几何模型的创建和网格划分，利用Fluent软件进行设置，对同轴脉管制冷机氦气流通情况进行模拟，分析制冷机中的温度分布，回热器和脉管的温度梯度、压力、声功、焓流等情况，以及冷端制冷量的统计，得出制冷机的制冷性能。本文进行了耦合壁面导热率和粗糙度的改变对径向换热的影响两项研究。在回热器与脉管耦合壁面夹层薄壁材料改变了三种导热率，探究耦合壁面的导热率对制冷机性能影响。三组项目分别是同种材料不锈钢薄壁的1倍导热率、100倍导热率和0.001倍导热率，模拟发现0.001倍导热率的情况接近绝热，脉管和回热器的换热效果较差，温度梯度温差大，得出的制冷量最大；而导热率高的两组脉管和回热器温度梯度都很接近，制冷量较小。最终发现耦合壁面导热率越低，换热效果差的，损失小，制冷量最大，制冷机性能也越好。（2）探究耦合壁面粗糙度对换热的影响，本文对脉管内壁进行了粗糙度设置，环形回热器由于内部填充材料，无须对其粗糙度进行设置。本文对不锈钢材料的脉管壁分别设置了其粗糙度范围的最小粗糙度0.02和最大粗糙度0.1的情况，以及还有粗糙度为0的光滑脉管壁这三种情况进行比较分析。由模拟结果得知，粗糙度的不同对于回热器和脉管的径向换热影响并不大，但还是粗糙度较小的制冷机性能更优异，制冷量最多，因此对脉管壁进行加工时尽量使其内壁光滑。参考文献[1]W.E.Gifford,R.C.Longsworth.Pulsetuberefrigeration.JournalofEngineeringforIndustry-TransactionsoftheASME,1967(86):264-270.[2]E.I.Mikulin,A.A.Tarasov,M.P.Shkrebyonock.Low-temperatureexpansionpulsetubes.AdvancesinCryogenicEngineering.1984:629-637.[3]R.Radebaugh,J.E.Zimmerman,D.R.Smith,