3代脉管制冷机的工作原理和性能的全场数值模拟

建立了脉管制冷机(PTR)的全场数值模型,并在二维可压缩SIMPLEC程序基础上分别开发了针对基本型(BPTR)、小孔型(OPTR)和双向进气型(DPTR)脉管制冷机的可压缩交变流动与换热的全场数值模拟程序。通过对脉管制冷机内的流场、温度场、压缩机内压力等重要参数的数值模拟研究以及对基本型、小孔型和双向进气型脉管制冷机数值模拟结果的对比,逐步地揭示了不同类型脉管制冷机的复杂流动与换热,并从传热学角度揭示了脉管制冷机的普遍制冷机理,为脉管制冷机的进一步数值模拟研究以及优化改造奠定了基础。     

一种大口径蝶阀流量特性的坐标定位回归算法

大口径蝶阀是高空模拟试车台的一个重要设备,其数学模型建立依赖于大口径蝶阀的流量特性。为获得大口径蝶阀的流量特性,提出了一种基于特征坐标,从大稀疏分散试验数据中提取连续特征信息的大口径蝶阀流量特性的坐标定位回归算法。即先对无规律的试验数据过滤预处理,再基于特征坐标对预处理数据在特征坐标轴上进行压缩、合并。在此基础上提出了迭代扩充回归流量特性系数的算法,从而获得所需的大口径蝶阀的流量特性。与高空模拟试车台的试验数据对比表明,利用建立的大口径蝶阀流量特性所计算的蝶阀流量与测量流量之间的稳态误差均在5%以内。     

液氦温区预冷型JT制冷机闭式循环实验研究

针对目前空间探测任务对高效可靠的液氦温区制冷技术的需求,介绍了自行研制的液氦温区JT制冷机测试系统及制冷机结构,采用带有进排气阀的单级线性压缩机驱动,由两级GM制冷机预冷,测试了JT制冷机在闭式循环条件下的制冷性能。结果表明,JT制冷机经5.5 h降温至液氦温区,无负荷制冷温度为4.4 K,在4.9 K获得87.98 mW的制冷量,驱动JT侧线性压缩机所耗电功41.6 W。并分析了制冷机闭式循环与开式实验中存在的差异,表明热负荷的改变会影响制冷机的运行状态。     

菱形驱动斯特林制冷机

通过运动学与动力学平衡分析,提出了菱形驱动斯特林制冷机热力计算方法,该方法能够简化多级斯特林制冷机的计算。     

口径近场的特征谱

 提出口径近场特征谱的概念,以描述口径设计近场特征。特征谱包括角域谱和时域谱,分别定义为口径近场区空域场和频域场在角域和时域的变换。理论分析和计算结果表明,特征谱可以在角域和时域上分离有限大口径的直达波和绕射波,因而可以用来描述口面尺寸、形状和场分布等条件改变时绕射场的相对变化,这对紧缩场设计具有参考价值。基于口面场卷积法,计算、比较了限度为5 m×5 m圆口径和方口径近场在X波段特征谱分布。并导出：口径近场角谱为口径场角谱和网络响应函数角谱的乘积,网络响应函数等效于一个空间角谱滤波器。     

大口径光学元件的精密磨抛与检测装备开发及应用

大口径光学元件超精密加工是一个复杂的系统性工程,涉及精密机床、数控、加工技术与工艺、精密检测和补偿控制等机电控各领域的专业知识,其发展与一个国家的高端制造技术及装备发展能力息息相关,也是一个国家综合国力的集中体现。主要介绍了厦门大学微纳米加工与检测联合实验室在大口径光学元件超精密加工技术及装备方面取得的研究进展,针对大口径光学元件磨削和抛光两个加工流程及其配套的精密检测技术,详细阐述了磨削装备及单元技术、可控气囊抛光机床及相关单元技术、精密检测装备及相关单元技术等的研究应用情况。这些技术研究从超精密加工的需求出发,借鉴国内外的研究经验和成果,通过对装备、工艺、检测等各方面整合,形成了具有自主知识产权的集磨削、抛光和检测装备及工艺技术的大口径光学元件超精密加工体系,这些技术与装备确保了大口径光学元件的高质量超精密加工。     

一种空间超大型可展开柔性聚光器

面向空间太阳能电站（SSPS）对大口径太阳能聚光器的应用需求,提出一种超大型、轻量化、高精度的空间可展开柔性聚光器的新构型。采取理论建模、计算仿真、优化设计相结合的方法对其抛物面构型原理、展开机构折展原理、展开态结构稳定性、动态聚焦精度等问题进行研究,并完成大口径可展开柔性聚光器的设计。提出了基于多层弹性花瓣镜体复合结构的大口径柔性聚光器优化创新设计方法。由于采用薄板柔索结构,本聚光器具有精度高、展收体积比大、质量轻、在线控制简单等优点,为空间太阳能电站千米级聚光器提供一种创新设计方法。     

大口径远程榴弹气动力-外弹道综合优化设计

在大口径远程榴弹设计中,在保证弹丸具有足够的威力,飞行稳定性和发射强度的前提下,使弹丸具有最大射程是一个很有意义的问题。本文给出了大口径远程榴弹气动力一外弹道综合优化设计数学模型,本文还首次涉及了底部排气弹外形优化问题。     

基于G-M制冷机的大尺寸冷屏设计方法

介绍了基于Gifford-Mcmahon (G-M)制冷机的大尺寸冷屏的设计方法。该低温冷屏配合真空环境模拟室共同使用,为遥感卫星的星载遥感器等部件的红外定标试验提供20K的低温冷背景。该冷屏采用5台G-M制冷机进行制冷,外形尺寸达到1m×1m,是目前国内同类型冷屏中尺寸最大的。详细介绍了冷屏在容器内的安装布置、冷缩时的补偿等结构设计方法、冷屏的表面温度分布以及降温时间等计算分析。成功解决了大尺寸冷屏在低温环境下的冷缩补偿难题,试验结果表明:冷屏主要测点温度为15K,温度均匀性误差为±1K,达到并超过设计要求。      

大波纹管的研制

1974年填补国家空白的一项重要工业产品─—全金属波纹管式膨胀节 (简称“波形膨胀节”)设计与研制成功。大口径、大波高、单条纵焊缝的整体U形波纹管结构 ,大补偿量及高使用寿命 (容许的弹性操作次数Na≥ 10 7次 )是其特点。采用中国式的滚轧成型新工艺 ,可控制壁厚减薄量在 10 %左右 ,并可适用于口径范围更广、不同品种规格的大波纹管的加工成型 ,它是我国膨胀节制造工艺技术上的一个大突破。     

空间微小脉冲管制冷机研制

随着空间机械制冷技术的迅速发展,空间脉冲管制冷机在80 K温区整机效率已经优于1 W/18 W（制冷量/输入电功）。针对中国航天未来微小卫星的发展,中国科学院理化技术研究所开展了空间微小脉冲管制冷机的研究,并获得突破性的进展。理化技术研究所研制的宇航级微型脉冲管制冷机,80 K温区制冷量与重量比已经大于1.5 W/1 kg,制冷效率达到1 W/22.5 W（制冷量/输入电功）,在轨设计寿命超过30 000 h,可以与中波红外320×256以下面阵探测器直接耦合。系统介绍了中国科学院理化技术研究所微型脉冲管制冷机的研发过程,并给出了最新的研发结果。该制冷机除了可以实现给中波红外探测器制冷以外,还可以作为辅助热控手段,对220 K以下温区的载荷热控、载荷在轨气体多余污染物吸附等应用提供帮助。     

进气温度与压力对涡流管性能影响的实验

实验研究了涡流管进出口膨胀比(2~5)、节流阀开度(1~11)和进气温度(313~373K)对涡流管性能的影响,重点分析了制冷和制热温度效应随上述参数的变化规律.研究中发现:随着进口膨胀比增加,管内涡流强度增强,不同半径处气流的角速度梯度增大,涡流制冷温度效应增强10.9%,制热温度效应增强46.5%.随着节流阀开度增加,冷/热气流之间能量交换的程度提升,涡流效应增强,冷流率增大47.3%.随着进气温度增加,涡轮管性能逐步提升.实验结果表明:进气温度每增加20K,制冷温度效应平均增幅约为12%,制热温度效应平均增幅约为5%.      

不同气体对涡流管能量分离效果的影响

通过实验的方法,分别对以空气、氮气、氩气和二氧化碳等气体为工质的涡流管的能量分离效应进行了研究,得出了涡流管的冷热效应、制冷量、单位制冷量和COP(性能系数,CoefficientofPerformance)随冷流率变化的特性曲线.研究表明:涡流管的冷热效应与工质的摩尔质量有着重要的关系,摩尔质量越大,其制冷和制热性能就越好;另外,在一定程度上还受气体本身的焦耳-汤姆逊系数的影响.对于制冷量和COP,除了跟工质的制冷效应和比热容有关外,跟摩尔质量也存在着相应的正比关系.      

喷嘴马赫数对涡流管性能影响的实验

设计加工了不同出口马赫数的喷嘴,搭建了涡流管性能测试试验台,对不同马赫数喷嘴涡流管的能量分离性能进行了实验测试,实验结果表明:出口马赫数为0.5到0.8的喷嘴的涡流管具有很好的能量分离效果,但是当马赫数上升到0.9时效果明显变差.当涡流管入口压力在0.4～0.6 MPa之间时,喷嘴出口马赫数为0.8的涡流管具有最好的制冷效应,但当涡流管入口压力继续增加时各喷嘴涡流管的制冷性能差距不大.      

Pulse tube refrigerators

Interest in the pulse tube comes from its potential for high reliability and low level of induced vibration.A numerical model has been developed to provide a tool for practical design. It has been successfully validated against the experimental results obtained with a single stage double inlet pulse tube which has achieved a temperature of 28 K at a frequency of a few Hz.Further developments have demonstrated the capability of operating a pulse tube at higher frequencies in association with a Stirling pressure oscillator.Current projects include coaxial geometry for miniature pulse tubes with linear resonant pressure oscillators. A 4K multistaged pulse tube is also in development.     

进口压力对涡流管性能影响的实验研究

采用自行设计的涡流管,并以空气作为工作介质,通过实验研究了在其它条件相同的情况下,不同进口压力对涡流管性能的影响。实验结果表明:对于常温涡流管,在背压保持不变的情况下,随着进口压力的增加,涡流管的制冷温度效应、单位制冷量和制冷系数都显著提高,但是当进口压力增加到一定的值以后,继续提高进口压力,涡流管的制冷温度效应、单位制冷量和制冷系数反而急剧下降。     

煤油/空气三管脉冲爆震发动机共用尾喷管研究

探索脉冲爆震-涡扇组合发动机的可行性,建立了煤油/空气三管气动阀式脉冲爆震发动机PDE试验系统,设计、加工了收敛型尾喷管和收敛-扩张型尾喷管,在三个内径100mm,长2000mm的爆震管内获得了充分发展的爆震波,成功实现总工作频率30Hz稳定时序工作,研究了三管PDE各爆震管之间爆震燃烧特性的相互影响规律.三管PDE安装共用尾喷管能够提高爆震室内压力,提高三管PDE的工作性能.研究结果为研制多管脉冲爆震发动机原理样机提供了理论依据.      

脉冲爆震发动机管外复杂波系的数值计算

为了研究脉冲爆震发动机外流场复杂波系的变化特点,用时空守恒元与求解元(CE/SE)方法对单爆震管和三爆震管脉冲爆震发动机外流场进行了计算。三个爆震管并排排列,管内填充按化学当量比混合的乙烯氧气混和物。通过计算,获得了脉冲爆震发动机外流场的压力分布、温度分布、激波与膨胀波的变化特点。计算结果表明该时空守恒元与求解元方法是一种较好的爆震波模拟方法,能有效地捕捉激波等强间断;三爆震管脉冲爆震发动机相对于单爆震管脉冲爆震发动机外流场复杂,存在多道相互作用、相互影响的激波和膨胀波。     

Magnetic energy storage devices for small scale applications

The author considers basic principles of magnetic energy storage, structure requirements and limitations, configurations of inductors, attributes of high-T_c superconducting materials including thermal instabilities, a relative comparison with the state-of-the-art high energy density power sources, and refrigeration requirements. A review of superconducting magnetic energy storage (SMES) technology reveals that the advent of high-temperature ceramic superconducting materials and advances in high strength materials and refrigeration technology are likely to facilitate fabrication of smaller SMES units. The design parameters of a micro superconducting magnetic energy unit for Air Force application are presented and discussed