涡流管能量分离特性及其机理研究

摘要

涡流管作为一种结构简单的能量分离装置，因其结构的简单性、使用的便利性以及工质的绿色环保性，已经在诸多领域得到广泛应用，并在制造业的冷却、低温生物、精密仪器、航空航天、测量等各领域有着巨大的发展潜力和广阔的发展前景，但其能量分离的低效率却是限制涡流管进一步深入应用的瓶颈。 了解涡流管内流体的流动形式对于理解温度分离机理有重要指导意义。目前对于涡流管的理论研究远远滞后于现有应用的研究，由于缺乏可靠的理论模型，对涡流管结构和工况变化所引起能量分离效应的变化趋势的预测变得极具挑战性，因而急需寻找一种有效的方法方法来预测涡流管内的能量分离和流动行为，有助于理解涡流管内的流动机理，并用于指导涡流管结构的改进和性能的优化，推广其更为广泛的应用。在此思想的指导下，本文主要开展了以下几个方面的研究工作： 1、建立了一种创新型的涡流管性能的数学计算模型。该模型首次提出动态分区建模的研究思路并建立了冷热流体的动态逆流边界ε表达式，该逆流边界随着冷流比μc以及冷热端出口压比ph/pc的变化而变化，并将涡流管按照其内部流动的不同形式分为不同的动态区域。首次建立了一套系统的描述涡流管内部能量、动量、质量的分布规律的数学模型，分析并预测了不同工况下涡流管内部三维速度场的分布规律。基于所建立的动态逆流边界ε，分析了不同区域之间的动量传递和能导热过程，阐明涡流管内部工质能量分离的机理。 2、搭建了涡流管能量分离特性测试实验装置，选用五孔探针以及热电偶获得了涡流管不同轴向位置、不同径向位置处的总压、静压、总速度、三维分速度和温度的分布规律，并研究冷流比这个特定因素对涡流管内各个参数沿径向分布规律的影响变化关系。不同于传统观点涡流管内部切向流动类似于Rankine涡的认定，分析发现稳态的切向涡旋流动更符合定常Burgers涡形式。通过计算涡流管内部的能量传递过程，认为涡流管的分离作用主要是由切向动量传递、轴向动量传递和导热三个过程综合作用的结果，其中动量传递由内层流体传递至外层流体，在喷嘴出口附近导热由内侧传递向外侧而随着流体逐步向热端流动的过程中外侧流体温度逐步升高，热量由外侧传导向内侧。 3、利用CFD数值模拟技术，建立涡流管的三维模型，对不同区域进行网格划分和加密设置，设定恰当的区域耦合边界条件和求解模型进行计算。探索空气在涡流管中流动的内部温度场、速度场和压力场，并将模拟结果与所提出的理论模型以及实验结果进行对比和验证，吻合性较好，进一步验证了结果的准确性。此外也更进一步的解释了涡流管的能量分离效应。 本论文对于正确理解涡流管能量分离机理、提高涡流管的能量分离效果，具有重要的科学意义和工程实际价值。

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