涡流管旋流流场特征的非稳态数值模拟研究

摘要

涡流管是一种不需要任何运动部件就能把压缩气体分离为两股具有显著温度差异气流的简单热力装置。但是由于经由喷嘴切向进气导致的高转速旋流，使涡流管内部流场流动结构变得具有强烈紊乱度的湍流，导致涡流管自上世纪三十年代发明出来至今一直无法得到一个一致的关于其能量分离机制的认知。
　　显而易见，旋流主导着涡流管的内部流动，关于涡流管内的旋流特性研究并不多见，但是在其他有旋流的设备当中，高强度旋流由于涡旋破碎诱导产生的位于中央回流面附近的进动涡核被认为是旋流中的一种拟序结构，可以在一个峰值频率下偏离管道中心并绕着轴线做周期性运动，这种流动结构的产生对旋流本身产生了极大的影响。在历来涡流管流动结构研究中，关于其旋流特性的分析并不充分，对于进动涡核这种大尺度拟序结构的研究有助于更好地理解涡流管的内部流动结构，以期得到一个更合理的关于能量分离的解释。
　　本文中采用非定常求解模式计算三维涡流管内的内部流场，雷诺应力模型用于封闭Navier-Stokes输运方程，在FLUENT15.0中数值模拟计算涡流管的内部旋流。将时均总温温度分离结果与实验结果对比以确保模型的准确性。当考虑到涡流管瞬态流场时，第一次得到了涡流管中的旋流数，将该几何结构下的涡流管内部流场归类为高强度旋流流动。通过几种方法展示了涡流管瞬态速度场中的周期性振荡，同时等涡量面很好的显示了涡流管流场的螺旋结构。而在子午面上，根据从瞬态计算一开始的一系列轴向速度场的发展，可以分析出涡流管内的涡旋破裂形式。另一些证据表明，流管流场中的涡核偏离流道中心并且在某一频率峰值上绕着管到轴线做进动运动。通过快速傅里叶变换分析整个子午面上的进动频率，可以看出进动涡核不仅影响了它周围的流场，至是下游流场，但是频率峰值也由于远离涡核而下降，并且根据频率峰值计算了该流场的斯特劳哈尔数。
　　最后，据涡核进动对流动结构的影响，给出一种关于能量分离过程的解释。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 涡流管简介及其发展进程

1．2 涡流管的应用

1．3 涡流管的结构及工作原理

1．4 涡流管能量分离物理机制研究综述

1．5 涡流管内部流场研究综述

1．5．1 可视化实验研究

1．5．2 速度场分布的实验及数值模拟研究

1．6 本文主要研究内容

2 旋流流场的基本特征

2．1 旋流流场中的衡量标准和基本特征

2．1．1 基本概念

2．1．2 旋流的产生

2．1．3 衡量旋流强度的无量纲数

2．2 涡旋破碎

2．3 进动涡核

2．4 动态流场的频域分析方法

3 涡流管内部三维旋流流场的非稳态数值计算模型

3．1 概述

3．2 几何模型

3．3 计算模型及控制方程

3．4 边界条件

3．5 网格生成和求解方法

3．6 模型验证与讨论

3．6．1 温度分离结果

3．6．2 网格无关性验证

3．6．3 时均速度场分布讨论

4 结果分析与讨论

4．1 涡旋破碎

4．1．1 涡旋破碎基本现象

4．1．2 涡旋破碎模式选择

4．2 进动涡核

4．3 基于涡流管旋流特征的能量分离机制的讨论

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢