涡流管结构参数优化与性能实验研究

摘要

涡流管结构简单，无运动部件，能将高压气体分离成冷热两股气流。其独特的优点是重量轻、体积小、可靠性高。因此虽然其制冷效率偏低，但在需要同时制冷制热及一些特殊用途场合得到了广泛应用。目前对涡流管能量分离机理的认识尚不完全统一，通过对涡流管内部流动的数值模拟和实验研究，以优化其结构、提高涡流管性能具有重要意义。
　　本文首先根据给定工作条件确定了涡流管主要部件，如喷嘴、涡室、热端管及冷端孔板等的尺寸，设计了涡流管实验样机，并改进喷嘴环端面密封形式以消除端面间隙的影响。其次，用CFX软件对涡流管内部流动进行了模拟，分析了几何参数对涡流管能量分离和流动的影响。第三，对涡流管性能进行了实验研究。实验比较了两种喷嘴通道对涡流管性能的影响，在不同进口压力条件下实验测量了三种冷端孔径的涡流管性能，并根据实验结果对涡流管结构参数进行了优化。数值模拟及实验得出如下结论:
　　(1)数值模拟结果表明，涡流管内的强旋流动形成冷热流体分离现象，冷端出口孔径对涡流管性能据有较大影响，其趋势与实验结果是一致的，而紊流模型对数值模拟结果影响不明显。
　　(2)实验结果表明，冷流比是影响涡流管冷端温降和制冷量的重要工作参数。在所有实验工况下均存在一个最佳冷流比，涡流管在该冷流比条件工作时冷端温降最大;涡流管制冷量也存在相似的趋势，但二者达到最大值时对应的冷流比值不同。
　　(3)对三种冷端孔径的涡流管性能实验结果的比较表明，在其他几何参数不变的条件下，冷端孔径为5mm的涡流管在不同压力条件下工作时性能均最佳，在进口压力为0.5MPa工况下，其冷端最大温降分别比冷端孔径为4mm和6mm的涡流管大4℃和1.8℃，制冷量分别大26.9％和18.4％。
　　(4)对使用切线型喷嘴和收缩型喷嘴的两种涡流管性能实验表明，改进后的收缩流道喷嘴涡流管性能较佳，其冷端温降最大提高了约26.6％。
　　(5)实验结果表明，在0.3MPa～0.5MPa范围内，涡流管冷端温降和制冷量均随着进口压力的升高而增大，制冷性能系数COP则随着进口压力的升高而降低，而等熵温度效率则几乎不随进口压力改变而变化，仅是冷流比的函数。
　　(6)对不同进口压力下涡流管性能实验结果的分析表明，涡流管相对温降，即不同冷流比下的冷端温降与最大温降之比与进口压力无关。不同进口压力条件下的相对温降—冷流比曲线几乎重合，这验证了资料的相似结论。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 概述

1．2 涡流管能量分离特性及应用研究进展

1．2．1 涡流管性能及其影响因素的研究

1．2．2 流管能量分离机理的研究

1．2．3 涡流管内部流动的数值模拟

1．2．4 新型涡流管及其应用研究

1．3 本文所做的工作

第二章 涡流管结构设计及热力学分析

2．1 涡流管结构与工作过程分析

2．1．1 涡流管结构

2．1．2 涡流管工作过程

2．1．3 涡流管热力性能

2．2 涡流管内部流动模型结构参数设计及分析

2．2．1 喷嘴设计

2．2．2 热端管的设计

2．2．3 涡流室尺寸的确定

2．2．4 冷端孔直径的确定

2．2．5 热端调节阀的设计

2．2．6 阻涡器的设计

第三章 涡流管内部流动数值模拟分析

3．1 涡流管数值模拟计算

3．1．1 几何模型的建立

3．1．2 计算区域的网格划分

3．1．3 计算模型的选取

3．1．4 计算区域边界条件设置

3．1．5 求解参数设置

3．2 涡流管数值模拟结果分析

3．2．1 涡流管内部流动分布

3．2．2 冷端孔径的影响

3．2．3 喷嘴通道型线的影响

3．2．4 紊流模型的影响

第四章 涡流管能量分离特性的实验研究

4．1 实验装置

4．1．1 气源系统

4．1．2 涡流管样机和试验工况

4．1．3 测控系统

4．2．1 喷嘴通道角度对涡流管性能的影响

4．2．2 喷嘴环端面间隙对涡流管性能的影响

4．2．3 冷端孔径对涡流管性能的影响

4．2．4 进口压力对涡流管性能的影响

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

发表论文情况说明

主要符号表

附录

致谢