针对超高频条件下脉冲管制冷机内部气体的交变流动特性展开理论与试验研究，针对脉冲管内气体在100Hz超高频条件下的交变流动特性，采用美国NIST开发的REGEN3.3软件开展蓄冷器丝网、尺寸的模拟计算，利用LosAlamos实验室开发的DeltaE软件对长颈管的相位调节和流量控制进行数值模拟，得到适合100Hz条件下工作的制冷机关键部件的最优结构。 在优化设计的基础上，研制直线型的超高频脉冲管冷指原理样机，如图3所示，其回热器外径为7.8mm，总长度为150mm，重量380g。该原理样机无双向进气， 80W输入功率下可获得1.2W@80K的制冷性能。 根据直线型样机的结构参数转换为同等尺度的同轴型脉冲管冷指，在对同轴结构冷端流场转捩进行模拟优化的基础上，研制出冷指外径9mm，长度42mm的同轴型超高频冷指样机，为不锈钢和紫铜材料的全焊接结构，不包含惯性管气库的重量为250g。在双向进气的优化条件下，其制冷性能为：80W输入功率下最低温度可达46K，能够提供2.1W@80K的制冷量。该同轴型冷指与美国NGST公司的100Hz超高频微型冷指的参数对比发现，在制冷效率方面本项目同轴冷指接近美国水平，而在微型化方面本项目研制的超高频同轴冷指优于美国的同轴冷指。 在超高频冷指达到世界先进水平的研究基础上，超出本项目研究计划，对压缩机的高频特性展开理论分析与实验研究。目前国内尚无小型化的高频压缩机，本研究在理论分析的指导下，利用已有的高频脉冲管冷指，首先通过调相机构的改进，使得现有的50Hz压缩机与冷指耦合后的最佳工作频率提高到80-100Hz；然后在高频条件下改变压缩机的磁场强度、线圈绕组、活塞面积、弹簧刚度以及充气压力等结构和条件，通过实验研究摸清压缩机的高频工作特性，将超高频冷指的制冷效率进一步提高，并为高频压缩机的优化设计打下坚实的研究基础。 2100433B

结合脉冲管制冷机发展的前沿方向和国内现阶段对微型低温制冷机的迫切需求，开展100Hz超高频脉冲管制冷机微型化的理论与实验研究。一方面通过理论分析和数值模拟的方法，深入研究超高频和微型化情况下脉冲管制冷机内部气体的工作流程和物理机制，重点针对超高频条件下换热时间短、微型化导致脉冲管直径小、换热面积不足等关键问题，探索在现有50Hz高频脉冲管制冷机基础上向超高频、微型化发展的改进途径，丰富和发展脉冲管制冷机的基本理论；另一方面在理论研究的基础上，研制超高频微型脉冲管制冷机的原理样机，利用理论结果指导制冷机的蓄冷器、脉冲管、换热器及调相机构等关键部件的优化设计，解决因超高频和微型化带来的制冷性能恶化的主要问题，掌握制作更小尺寸脉冲管制冷机的设计能力，同时利用实验结果验证本项目对超高频微型脉冲管制冷机内部气体工作过程及流动、换热等物理机制方面所获得的认识。

脉冲管制冷机作为一种稳定可靠的低温制冷机，在航天，军事，医疗以及科研等领域发挥着越来越重要的作用。脉冲管制冷机依靠内部高压制冷工质（通常为氦气）的往复运动来获得制冷效应。而脉冲管制冷机中的直流效应是指对应于其交变主流的一小部分直流分量。此前，脉冲管系统中已证实的直流现象有Gedeon直流和Reyleigh直流两种。分析和研究发现微小的直流分量对制冷机的性能有着巨大的影响。因此直流现象的研究和控制对提升脉冲管制冷机的性能具有重要意义，进而也受到越来越多研究工作者的关注和重视。 本项目所研究的脉冲管制冷机第三种直流现象是基于课题组多年的脉冲管制冷机研究经验，根据实验现象总结和提出的一种新直流现象。在国家自然基金的资助下，本课题对脉冲管制冷机中的第三种直流现象进行了全面的分析和研究。首先，从理论上定性分析了这种新的直流现象与Gedeon直流和Reyleigh直流在形成机理上的不同，指出脉冲管制冷机内部不同部件处的流道变化所带来的结构非对称性是造成第三直流的主要因素。随后借助计算流体力学手段，采用二维数值模拟建立了脉冲管制冷机系统的整机模型并针对脉冲管制冷机内变截面处的流动特性进行了模拟和分析。数值计算的结果直观的展示了制冷机内部突变截面对制冷工质流动的影响以及这种结构非对称性所造成的能量耗散。据此我们认为，不同于由于系统内存中回路引起的Gedeon直流和由于制冷工质的热力学非对称性引起的Reyleigh直流，本项目研究的的第三种直流是由于系统内部大量的结构非对称性引起的一种直流现象。制冷工质在制冷机系统内流动过程中，为其提供驱动力的是流道两端的压差，而在系统内部无回路的情况下，系统结构非对称性对流动的作用结果会反应在对系统内部压力的分布的影响上，并且这种影响的累积效应最终表现为压缩机和气库的压力分布差异。由此我们提出以一种连接压缩机背压腔和气库，通过调节和优化脉冲管制冷机内部的压力分布来抑制第三直流，提升制冷机性能的方法。该方案在不同结构的制冷机系统上的实验研究表明，对于制冷机运行时气库压力低于压缩机背腔压力的系统，该方法均能是制冷温度获得不同程度的降低。因此，该方法针对特定的脉冲管制冷机系统具有实际应用价值。

直流是脉冲管制冷机中重要的机理性问题。它主要考虑在以工质交变流动为主要特征的脉冲管制冷机中的热力学、流动、换热问题，并力争将其普遍规律拓展到斯特林、热声制冷等制冷与低温关键技术中，降低制冷温度和提高制冷效率。本项目将更多从热力学、传热学、流体网络等已有理论出发考虑，通过我们的研究丰富非平衡热力学、交变流动的内容。由于脉冲管制冷机的第三种直流效应是本项目申请者最新提出和验证的重要发现，本项目要解决的关键是脉冲管制冷机第三种直流的形成机理和抑制方法。这是对目前已有脉冲管理论的重要发展和技术的较大挑战，牵涉到整机的优化和结构的创新。在理论分析和系统模拟基础上，采用动态实验系统测试各个关键和难点问题，进而研究第三种直流在蓄冷器、脉冲管、调相元件等中的形成机理，并探索有效而普遍适用的抑制方法。