（化工过程机械专业论文）涡流管性能研究与参数优化.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 涡流管能够把压缩气体分离成冷热两股气流，具有结构简单，工况稳定等优点，广 泛应用在天然气冷凝方面。近年来迅速发展的计算流体动力学方法为涡流管内复杂涡旋 流动的研究提供了新的手段。但是，关于恰当描述涡流管内流动湍流模型的选取未有定 论，缺乏系统的对比分析。另外，影响涡流管性能的参数很多，各个参数影响程度的对 比分析却很少。 本文针对这两方面，通过数值模拟与实验相结合，确定了最适于涡流管三维数值模 拟的湍流模型，找出了对涡流管性能影响较大的参数及其影响趋势，为进一步进行两相 涡流管的研究奠定了基础。 一 首先，建立了涡流管内三维数值模拟模型。分别采用r n ok - c ，r e a l i z a b l ek - e ， r s m 模型及l e s 模型对涡流管内的流场分布，温度分布及压力分布进行了数值模拟， 并将模拟结果与涡流管经典实验进行对比分析，得到了最适用于涡流管三维数值模拟的 湍流模型_ r s m 模型。 利用r s m 模型，本文又进一步对涡流管的入口压力、入口温度、冷流率等操作参 数及喷嘴、熟端管、冷孔板等结构参数进行了数值模拟分析，发现入口压力、冷流率、 喷嘴形式、喷嘴截面形状、喷嘴个数、热端管长、热端管面积、冷孔孔径是影响涡流管 性能的主要因素。 最后，搭建了涡流管实验平台，对涡流管参数对性能的影响进行了实验研究，得到 了各参数对涡流管性能的影响趋势与最佳值，并分析了各参数对涡流管性能的影响程 度，指出入口压力，冷流率，喷嘴数，热端管直径，阻涡器及锥管结构是对涡流管性能 影响较大的参数。将实验结果与数值模拟结果进行对比，发现实验与数值模拟得出的主 要影响参数存在差异，其原因为：实际实验中入口温度不断变化，而模拟中采用恒定值。 关键词：涡流管；三维数值模拟；湍流模型；参数优化 涡流管性能研究与参数优化 t h ep e r f o r m a n c es t u d ya n dt h ep a r a m e t e r so p t i m i z a t i o no fv o r t e x t u b e a b s t r a c t 1 1 1 ev o r t e xt u b e w h i c hc a l lb eu s e dt od i v i d ec o m p r e s s e dg a sf l o wi n t oah o ta n dac o o lg a s f l o w , w i t ha d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r ea n ds t e a d yw o r kc o n d i t i o ne t c h a saw i d e l ya p p l i e d f o r e g r o u n di nt h en a t u r eg a sp r o c e s s al o to fs t u d i e sh a v eb e e n d o n et of i n do u tt h ep r i n c i p l e o f t h ee n e r g ys e p a r a t i o ni nt h ev o r t e xt u b eu pt on o w r e c e n t l y , w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sm e t h o d ，i ti su s e da san e wm e a s u r et oi n v e s t i g a t et h e c o m p l e xv o r t e xf l o wi nt h ev o r t e xt u b e h o w e v e r , v a r i o u sp r o b l e m si ns i m u l a t i o nh a v en o t b e e nw o r k e do u t s u c h 勰f i n d i n go u tt h et u r b u l e n tm o d e lw h i c hi st h em o s ts u i t a b l ef o rt h e s i m u l a t i o no f t h ev o r t e xt u b e 。1 a c ko f s y s t e m a t i cc o n t r a s t i v ea n a l y s i s b e s i d e s ，t h el e sm o d e l w h i c hi sf i tf o rt h ev o r t e xs i m u l a t i o ni sh a r d l yu s e di nt h ep r e s e n tl i t e r a t u r e s a n dt h ei n f l u e n c e o f p a r a m e t e r s0 1 1t h ep e r f o r m a n c eo f t l l ev o r t e xt u b eh a v es c a r c e l ys t u d i e di nt h ep a s t t h ep u r p o s eo ft h i ss t u d yi st of i n do u tt h et u r b u l e n tm o d e lw h i c hi sm o s ts u i t a b l ef o rt h e s i m u l a t i o no f t h ev o r t e xt u b ea n dt h ei n f l u e n c eo f p a r a m e t e r so nt h ep e r f o r m a n c eo f t h ev o r t e x b yc o m b i n i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ht o g e t h e r ，a n dl a ya f o u n d a t i o n f o rt h ef l l r t h e rs t u d y f i r s t l y ，a3 - ds i m u l a t i o nm o d e li ss e tu p r n gk - e ，r c a l i z a b l ek - e ，r s ma n dl e s a r e u s e dr e s p e c t i v e l yt os i m u l a t et h ev o r t e xt u b ef o rt h ef i r s tt i m e ，w i t hw h i c ht h ef l o wf i e l d ， t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o na r eo b t a i n e d b yc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，a m o s ts u i t a b l em o d e lf o rt h es i m u l a t i o no f t h ev o r t e xt u b ei sg a i n e d s e c o n d l y ，f o u n d e do nt h ea b o v es i m u l a t i o ns t u d y ，as e r i e so fr e s u l t so fo p t i m i z ep a r a m e t e r s a r eg a i n e db yp e r f o r m i n gt h eo p t i m i z ea n a l y s i s w h i c ha r ea l s oc o m p a r e dw i t t lt h er e s u l t s f r o ml i t e r a t u r e f i n a l l y ，a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mi s s e tu pt og e tt h ei n f l u e n c eo fp a r a m e t e r so nt h e p e r f o r m a n c eo f t h ev o r t e xt u b e a sar e s u l t ，t h ei n f l u e n t i a lt r e n da n do p t i m i z ev a l u ea r ef o u n d o u t ，t h ee x t e n to ft h ei n f l u e n c ei sa l s oa n a l y z e d ，a n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ee x p e r i m e n t a l a n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea n a l y z e d k e y w o r d s ：v o r t e xt u b e ；3 - dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；t u r b u l e n tm o d e l ；p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n 一i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 丝5 ：日期：2 翊16 ： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 面鹚 导师签名：翻叁醴 年月日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 自1 9 3 0 年法国工程师r a n q u e 发现了涡流管能量分离效应以来，涡流管就以其结构 轻便，造价低廉，工况稳定等众多优点吸引了世界各国学者对其进行研究和分析，并已 经应用在制冷，航空，生物医药等许多领域，具有广泛而重要的应用前景。由于涡流管 内部流动十分复杂，涉及热力学及流体力学等诸多学科，因而目前还没有统一的理论及 数学模型能对能量分离效应做出准确而详尽的描述。本课题旨在应用一种新的研究手段 计算流体动力学( c f d ) 方法，研究涡流管内部流场、温度场以及压力场的分布， 并结合实验研究，以期得到最优的涡流管参数值。本章将遵循这一原则，对涡流管研究 的已有成果进行系统的综述，并提出本文的主要工作 1 1 课题背景 。 涡流管的历史可追溯到1 9 3 0 年，一位法国的冶金工程师g j r a n q u e 在制作一种从 矿物中分离瓦斯的旋风分离器时，发现了一种奇妙的现象：旋风分离器中心的瓦斯温度 与外层的瓦斯温度存在着差异，中心气流温度低，而外层气流温度高。这就是著名的涡 流管总温分离效应，也称为能量分离效应。 1 9 3 1 年，r a n g u e 发表了涡流管总温分离效应的首篇论文，并在法国成功注册了涡 流管的第一个专利。1 9 3 2 年，他又在美国申请了专利并于1 9 3 4 年得到批准【l j 。1 9 3 3 年， r a n q u e 在法国物理学会上作了关于涡流管装置及其涡旋温度分离效应的实验报告b j ，报 告再现了其专利中采用的两种涡流管结构：顺流型涡流管及逆流型涡流管，还展示了单 个及多个切向入口的喷嘴及螺旋形喷嘴。报告同时指出：入口温度为2 0 。c 的压缩空气 进入涡流管后，冷端气流出口温度约为一1 0 。c 一- 2 0 0 c ，而热端气流出口温度可达 1 0 0 0 c 。然而由于他在对这一现象进行解释时，混淆了流体总温与静温的概念，导致当 时许多学者对他的学术成果持否定态度。就这样，这项重大的发现被默默搁置了l o 年 之久。 直到1 9 4 5 年，一队美国科学家到德国e r l a n g e n 大学访问，并重新发现了涡流管。 该大学的物理学家h i l s c h 进行了大量的工作和系统的研究，于1 9 4 7 年发表了一篇开创 涡流管研究新局面的文章【3 1 。在他的论文中，运用大量详尽资料证实了涡流管总温分离 现象的存在，并就涡流管性能参数定义、装置设计、应用等问题提出一系列研究成果及 建设性建议比如他提出了了涡流管各结构参数存在最佳比例关系；最大温降随压力增 加而增加；压比一定时，热端管直径大的涡流管效果较好；冷孔板孔径应尽量接近喷嘴。 约为0 4 5 o 6 0 倍的热端管直径，以获得最大温降和最大制冷量。以上都是后来广为沿 涡流管性能研究与参数优化 用的经验守则。h i l s c h 还指出涡流管的效率很低，预言其应用将受到限制。h i l s c h 的研 究，使人们重新认识到涡流管的实用价值。为纪念r a n q u e 和h i l s e h 这两位科学先驱， 涡流管又被后人称为r a n q u e - h i l s e h 管。涡流管总温效应又被称为r a n q u e h i l s c h 效应。 一般的涡流管由喷嘴，涡流室，冷孔板，冷端管及热端管组成。图1 1 显示了涡流 管中流体的工作过程：入口流体在喷嘴中膨胀，以很高的速度沿切线方向进入涡流室。 由于冷孔板的阻挡，流体高速旋转着流向热端管出口，在此过程中分离成总温不等的两 部分，中心部分流体总温低，而外层部分流体总温高，同时中心低温流体产生回流，从 冷端管出口流出，外层高温流体从热端管出口流出通过调节热端阀开度，可控制冷热 流比率，从而得到最优的涡流管性能。 图1 1 涡流管工作原理图 f i g 1 1f u n c t i o n a ld i a g r a mo f v o r t e x t u b e 涡流管具有许多优点【4 】，如性能安全可靠；安装、拆卸、维护方便，无须添加氟利 昂等制冷剂；结构紧凑，质量轻，价格便宜；无转动部件，可连续长时间工作：工作工 质为空气，经济实用；可制成坚固的不锈钢结构，防撞击，寿命长等。如此众多的优点 吸引了英国，法国，德国，美国，加拿大，俄罗斯，日本等国的众多学者对其进行研究 和探讨【7 7 】，很多大公司如壳牌石油开采公司、富尔顿低温工程公司、本迪客航空公司、 汉埃斯航空公司及菲利普石油公司等在涡流管理论、实验和应用等方面均获得过专利， 同时还出现了一批专门从事涡流管生产的厂家，如美国的v o r t e x 公司、e x x a i r 公司和 t r a n s o n i c 公司等。目前涡流管广泛地应用在以下几个领域1 7 8 】： ( 1 ) 机械工业方面：轴承冷却，切削加工冷却，固化热融物，小型空调 5 1 1 酗，涡流管 式换热器等 ( 2 ) 科研方面：热电偶的冷结点恒温，涡旋恒温器，温度标定，材料测试，热膨胀 测试等： 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 生物医学方面：生物冷冻，内外科手术等； ( 4 ) 航空技术方面：宇宙飞船的涡旋调节装置，电子设备的冷却，除冰等【8 】； ( 5 ) 石化工业方面：天然气冷却分离与液化l ”，8 ”。 我国的涡流管研究起步很晚，8 0 年后才有西安交通大学，大连理工大学，北京工业 大学，哈尔滨工程大学等单位和科研机构进行了一系列实验研究和应用研究，关于涡流 管总温分离效应原理的研究却鲜有突出成果 s 9 - 9 2 , 9 4 - 9 7 1 ，而且国内没有专业的涡流管生产 厂家，工业用涡流管依靠进口，涡流管技术总体水平低于发达国家。 事物总有优劣两面，涡流管也不例外它的优点很多，但也有两个缺点：其一是流 量小，不能适应大流量的操作，针对这一问题，有学者提出多个涡流管并联组成涡流板 的构想，下文中将有介绍，这里就不一一赘述；其二就正如h i l s c h 所预言，涡流管的低 效率限制了其更大范围的应用。然而，多数情况下，效率并不是衡量某种装置经济指标 的唯一标准。譬如，近年来某些学者发现涡流管在天然气和石油气处理及工业和运输业 输气管路压力降的利用中具有重要的经济效果【9 1 6 , s s l 。在小型系统或间歇动作的装置中， 采用轻便，紧凑，可靠性好，造价低的涡流管往往比使用效率高但价格昂贵，结构复杂 的其他装置更加经济。因而利用新手段和新技术研究涡流管性能，对其结构进行优化， 以得到最优的效率和经济效益就具有了十分重要的实际意义。 1 2 涡流管研究综述 涡流管的研究可分为三个方面：理论研究，实验研究及数值模拟研究。理论研究的 目的是探索涡流管总温分离效应的秘密，提出最合理的总温分离的数学物理模型，理论 研究的内容并不仅是纯粹的假设和数学推导，而是建立在实验的基础之上。实验研究的 目的有两个：一是为理论研究提供实验数据对比支持，本文将此类文献归为理论研究范 畴；二是进行涡流管参数的优化设计分析。数值模拟研究是近年来迅速兴起的一种新的 研究方法，它基于计算流体动力学( c f d ) 理论，是通过对计算域进行适当的离散化处 理，选择适当的控制方程组和模型，定义准确的边界条件和初始条件，编程计算获得近 似的流场参数分布。下面我们就分别从上述三个方面对涡流管的研究进行综述。 1 2 1 涡流管理论研究综述 虽然涡流管结构简单，操作方便，但管内的能量交换过程却极其复杂。由于流体内 部各层间存在摩擦，传热过程是不可逆的，一般认为管内进行的是三维的可压缩湍流流 动。至今为止，还没有一种数学模型，能够精确地预测涡流管性能。对涡流管总温分离 效应的解释众说纷纭，没有一种令人满意，有些甚至互相矛盾目前对涡流管研究所达 到的共识可归纳为以下几点：同一热端管横截面上壁面处静压最大，而轴心处静压最小； 涡流管性能研究与参数优化 同热端管横截面上壁面处静温最高，而轴心处静温最低；在任一点切向速度都占主导 地位；流体离开喷嘴进入涡流管后分为两个区域：沿内壁切向旋转流向热端出口的外层 区域形成的自由涡区及自热端阀处回流，受周围自由涡的摩擦驱动，像刚体一样转动的 内层强制涡区在任意流通截面上，总温都是在壁面附近最高，轴心处最低，沿轴向最 高总温出现在热端出口处，最低总温出现在冷孔板处。从前人的理论研究成果来看，多 是根据实验获得的涡流管内压力、速度、温度等参数的分布来假设数学模型和推导公式。 下面就将这些关于总温分离效应的解释作一分类，并加以简单的介绍。 ( 1 ) 涡旋动量传递理论 最早从理论上分析涡流管总温分离效应的是f u l t o n 】。他提出：在进入涡流管的气 流形成的自由涡在管内的运动过程中，流体层问发生径向的动能交换，导致沿半径方向 出现温度梯度。根据此假设，f u l t o n 推导出冷热端温差和湍流p r a n t l e 准数之间的关系： 等斗虿1 ( 1 ，) 2 0 、 v a nd e e m t e r 1 s l 把广义柏努利方程应用于涡流管机理分析，结果表明冷效应并不能 由涡流管外缘的热效应引起。他的观点是从中心到外缘有动能的流动交换，这与f u l t o n 的观点相同。 w e b s t e r i 拍1 和l a ，1 9 1 通过对自由涡和强制涡的分析，提出流体的粘性效应是能量分 离的主要影响因素。他认为涡流管中高速旋转的流体层问存在着由粘性产生的摩擦力， 因而动能由内层传至外层，发生能量的分离。 t a t s u o 和t a k b s h i 等人在对大直径涡流管进行研究后认为：对于直径大的涡流管， 在热端出口状态稳定后，只要给出喷嘴出口处高速涡流的速度场，就可以利用速度分布 算出温度分布。 h a r d c b o l 试图从切向速度的角度解释能量分离效应：用总切向速度动量保持为常数 来定义自由涡。s t e p h e n 2 0 0 2 1 等人也提出涡流管内壁切向速度产生的g o r t l e r 涡是能量分 离的主要动力。 ( 2 ) 膨胀功理论 d e i s s l e r 和p e r l m u r c r ”j 通过对涡流管三维能量方程的分析认为，涡流管能量分离的 首要条件是流体必须是可压缩的，但可压缩流体的膨胀必须做功才能使流体冷却。中心 强制涡区对外层自由涡区的湍流剪切功对流体的总温分离效应贡献最大。湍流剪切功可 进一步分为扩散项，动能项和压力项，在外层自由涡区，流体总温升高主要是由扩散项 引起的，而在中心强制涡区，流体总温降低主要是由动能项和压力项所引起的。 大连理工大学硕士学位论文 p r a n t l 认为由于涡流管内强烈的涡流参混，外层自由涡区和内层强制涡区间形成了 一个绝热层，外层由于切向速度的影响，总温随着距轴心距离的增大而增大，而内层由 于对外层做功，总温有所减少。b r u u n 和g u p t a 等人对此持有相同观点。 ( 3 ) 热传递理论 s c h e p e r u 3 1 和g u | y a e t 2 4 l 等认为，高压气体经过喷嘴的绝热膨胀，在喷嘴出口处具有 最低的热力学温度，当气流流向热端出口时，速度逐渐减小，而静温逐渐升高。由于内 层回流气体来自热端热力学温度最高处，因而在同一截面上内层流体热力学温度高于外 层流体，由此导致能量由外层传入内层。但从现有的理论来看，热量从冷气流以热传递 方式传递给热气流是几乎不可能的，因而此理论缺乏可信度。 ( 4 ) 绝热降温理论 h m i z e 【2 5 】认为由离心力作用产生的径向压力梯度是发生能量分离的主要原因。在气 体旋流方向，压力逐渐降低的过程其实是绝热膨胀降温过程。然而实际中，由于流体粘 性的存在，径向温度并非沿绝热线变化，这种理想化的假设与实际值偏差较大。 ( 5 ) 湍流能量交换理论 s c h u l t z ，g r t l n o w 等人提出，涡流管中流体速度很高，喷嘴处接近甚至超过音速， 整个涡流管内处于旺盛的湍流流动状态。他们认为涡流管能量分离是由于离心场中湍流 流动的不稳定性引起能量的往复脉动，使能量从轴心处低压流体处跃至外层压力高的流 体处。同时，这部分能量将由流体向热端出口的运动而不断地传递出去，如此保证了此 过程的持续发生。 h a r t n e t t 2 6 】等人认为流体在涡流管内的湍流流动形式是在切线旋转的同时存在轴向 运动，因而涡流管长度才对能量分离效应具有重要影响。 l i n d e r s t r o m - l a n g 2 7 】认为能量分离是由湍流传热引起的，在外层区动能作用占主要 地位，而在中心区以热扩散为主，这种观点与d e i s s l e r 等人的正好相反。 ( 6 ) 声流理论 k u r o s a k a 2 8 l 提出了一种十分与众不同的见解，他认为涡流管内的有序扰动引起的声 流运动是能量分离效应产生的原因。高速气流进入涡流管后，在管中形成螺旋行波，螺 旋行波又在管壁附近激发起斯托克斯波，然后斯托克斯波又激发出声波，最后造成声波 共振，使具有细涡核的r a n q u e 涡变成充满管道( 边界层除外) 的旋转固体式强制涡， 从而导致温度的径向分离。他提到，如果在顺流结构的涡流管中安装消声器，把基本切 向波形调到离散频率，降低振幅，则总温分离效应将减小。 e c k c r t l 2 9 1 也在1 9 8 6 年发表文章，将压力与波联系起来，根据涡流管发出的声音，即 “涡啸声”分析判断，认为涡流管内气流总是具有波动性。当声强提高时，能量分离效 涡流管性能研究与参数优化 应增强。他提出能量分离效应主要是由作用于脉动波形流线上的压力引起的，同时粘性 力起着辅助作用。目前这种理论正被越来越多的学者所接受和研究。 ( 7 ) 二次流热泵理论与类比换热器理论 a h b o m 【3 0 - 3 3 l 在实验中发现涡流管中有二次流产生，由此假设涡流管能量分离效应类 似于热泵制冷机理，十分形象地把涡流管内流动分解为压缩过程，冷凝过程，膨胀过程 和蒸发过程，并给出了涡流管制冷、制热效应随进口参数，工质种类和物性参数变化的 关系。该理论虽然容易理解，但其解释缺乏可信性。 与此类似的是。s e h e p e r i z 3 1 最先对涡流管类比热交换器进行了研究，不过他将传热作为 涡流管能量分离的内因，显然不能成立。l e w i n s 和b c j a n 3 4 】在此方面也进行了一些有益 的研究。 1 2 2 涡流管实验研究综述 r a n q u e 在其1 9 3 1 年的涡流管专利中指出，涡流管有两种形式：顺流型及逆流型。 逆流型涡流管指的是外层热流体从热端出口流出，中心冷流体以相反的方向从冷端出口 流出，而在顺流型涡流管中，冷热两股流体均从热端出口流出。实验证明，顺流型涡流 管的效率很少超过逆流型的半，因而一般情况下都采用逆流型涡流管。图1 2 为一种 普通的逆流式涡流管的结构示意图。 1 热气流管2 喷嘴3 调节阀4 熟端出口5 涡流宣6 冷端出口 图1 2 普通逆流式涡流管结构示意图 f i g 1 2s t r u c t u r ed i a g r a mo f c o u n t e rc u r r e n tv o r t e xt u b e 影响涡流管性能的参数很多，本人在查阅了大量文献的基础上，将影响涡流管性能 的主要参数整理为树形图，如图1 3 。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 绍： 图1 3 涡流管参数树形图 f i g 1 3 t r e ed i a g r a mo f p a r a m e t e r so f v o r t e xt u b e 在介绍涡流管各参数对涡流管性能影响之前，首先对表征涡流管性能的参数作一介 ( 1 ) 涡流管制冷温度效应：瓦= 瓦一瓦； ( 2 ) 涡流管制热温度效应：瓦= 瓦- t o ； 一7 ( l2 ) ( 1 3 ) ；：|蜘蝴裂毂触鳜雅雠|窭 叫。 晰 向开一一 e吐虻江嚣长一c e 访 喊 徽 辨 数 蝴 懒 涨 制 扪 龃 弑 莲器惫 厂lr|_+le乇径；：! 一 一 一 一 涡流管性能研究与参数优化 ( 3 ) 涡流管冷流率：= = 生： ( 1 4 ) ( 4 ) 涡流管单位制冷量：q = q t ； ( 1 5 ) ( 5 ) 涡流管制冷效率；c o p = 羔- ( 1 6 ) r t o i n ( v o ) 见 其中：瓦一涡流管入口温度，k ； 一涡流管冷端出1 3 温度，k ； 瓦一涡流管热端出1 ：3 温度，k ； p o 一涡流管入口压力，p a ； 阢一涡流管冷端出i ：1 压力，p a ； 仇一涡流管热端出1 3 压力，p a ； 一涡流管入口质量流率，k g s , 一涡流管冷端出1 3 质量流率，k e d s ： 一涡流管热端出1 3 质量流率，k g s ； 下面就一一介绍影响涡流管性能的各参数： ( 1 ) 操作参数 入口压力p 。：入口压力是影响涡流管性能的重要参数彤h 4 6 】。大部分文献都用膨 胀比占代替入口压力。膨胀比占定义为入口压力p 。与冷端出1 ：3 压力见之比( 绝对压力) ： s = p 0 p , ( 1 7 ) 在多数实验研究中，冷端出口压力均使用大气压力且恒定不变，这种情况下膨胀比 的变化也就是入口压力的变化。也有少数文献研究了冷端出口压力可变时，膨胀比及入 口压力对涡流管性能的影响总结上述文献，结论可概括为：膨胀比较小时，入1 3 压力 变化对涡流管性能影响较小；膨胀比较大时，同一膨胀比下，入口压力增大，涡流管制 冷、制热性能均提高，但趋势减缓。从节省能源的角度考虑，入口压力存在某一最优值。 入口温度r o ：由于调节和保持入i ：1 温度比较复杂，因而研究入口温度的文献比 较少【柏l 。综合研究结论，可以得出：入1 ：3 温度对涡流管性能影响很小；随着入口温度增 加，涡流管制冷、制热效应均略有增加。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 冷流率t ：冷流率既是表征涡流管冷流流量的性能参数，也是影响涡流管性 能的操作参数1 3 , 3 9 , 4 7 。早在h i l s c h 的文献中，就对冷流率的最佳取用范围作过介绍。大 量的文献指出：冷流率取用范围为0 2 0 8 ，冷流率小于0 2 时，会发生冷端制热，热 端制冷现象，冷流率大于o 8 时，若热端管过长会发生滞止现象；冷流率对涡流管性能 影响很大，冷流率在0 2 o 3 之间能获得最佳制冷效应，在0 6 - - - 0 7 之间能获得最大单位 制冷量和最大制冷效率。 ( 2 ) 结构参数 喷嘴：喷嘴是涡流管的重要部件之一。在总结了大量文献后，本人认为可以从 下面几个方面对喷嘴结构形式进行归类： ( a ) 喷嘴进气方式：喷嘴进气方式有螺旋进气式，切向进气式和切向槽形进气式三 种。t a k a h a m a 和p a r u l e k a r 等人均认为切向进气式优于其他进气方式1 4 0 1 。 ( b ) 喷嘴形式：喷嘴形式指的是在涡流室截面上观察到的喷嘴截面变化趋势，常见 的喷嘴形式有：直型喷嘴，渐缩型喷嘴。实验发现：喷嘴形式为渐缩型的涡流管性能好 于其他喷嘴形式的涡流管p 5 3 6 , 4 s - 5 0 l 。 ( c ) 喷嘴设计线形：常见的喷嘴设计线形有：直线，圆弧线。阿基米德螺线。其中 以采用阿基米德螺线的效果最好【4 们。 ( d ) 喷嘴截面形式：喷嘴截面形式指的是平行于涡流管轴向的喷嘴截面的形状，有 下面几种形式：矩形截面，圆形截面其中，以矩形截面的效果最好 4 8 - 5 0 , s 1 , 8 2 1 。 ( c ) 喷嘴数玎：喷嘴个数对涡流管性能影响较大，常见的喷嘴个数为：l ，2 ，3 ，4 ， 5 ，6 ，8 。其中，喷嘴数为4 和6 的涡流管被认为性能较好3 5 j 邸8 ，4 犁5 4 轳u 。 热端管 ( a ) 热端管形式：热端管的形式主要有两种：圆管式和锥管式 5 2 , 5 3 j 。同等长度的锥 管式涡流管性能远好于圆管式涡流管，因而采用锥管式可大大缩减涡流管的长度。锥管 式涡流管热端管锥角一般为2 。一4 。 ( b ) 热端管直径：热端管直径的变化与相对面积的变化息息相关。相对面积a 定义 为喷嘴喉部面积与热端管直径之比。涡流管入口流量一定，且喷嘴数不变时，相对面积 越大，涡流管热端管直径越大。在经验值范围内，有人认为涡流管性能随相对面积增大 而增大，即热端管直径大的涡流管性能高【3 3 5 , 8 4 1 ，有人认为在一定冷流率范围内，热端 管直径小的涡流管性能高【4 2 1 ，超过这一冷流率，则正好相反。根据经验：膨胀比为1 - 5 时，j ：0 0 6 。0 1 2 ；膨胀比为5 - 1 0 时，j ：0 0 6 0 0 8 。另有经验公式j = w 0 3 2 1 ，其 占 中f 为膨胀比。 涡流管性能研究与参数优化 ( c ) 热端管长：研究热端管长对涡流管性能的影响时常常采用长径比的概念。热端 管长径比定义为热端管长与热端管直径之比，一般为3 - - 5 0 ，以2 0 - 4 0 为宜，热端管越 长，能量分离效果越好，但管子过长占据较大空间，且冷流率大于o 8 时会发生截止现 象，继续增加管长，对能量分离的增强效果已微乎其微 4 2 , 5 5 1 。 冷孔板孔径：所谓研究冷孔板孔径对涡流管性能的影响，其实是研究冷孔板孔 径与热端管直径之比对涡流管性能的影响。h i l s c h 曾经指出，此比值应在0 4 5 - - 0 6 的范 围之内。有研究指出：冷孔板孔径与热端管直径之比存在针对制冷效应的最优值及针对 制热效应的最优值1 4 2 , 5 1 嗣。 冷端出口扩压管：冷端出口扩压管的长度一般为2 3 倍的热端管直径，扩张管 锥角一般不超过1 5 。1 5 7 1 。 整流器：由文献可知，加装整流器可显著提高涡流管的制冷效率，常见的涡流 管整流器有十字形，网格型和叶片型，实验表明；叶片型的效果最好 4 9 , 5 2 , 5 8 , 5 9 1 。 冷流调节阀：冷流调节阀的作用是调节涡流管冷流流率，常见的有两种：针形 阀及球形阀。实验发现：对于短涡流管，选用球形阀较好，采用针形阀会使温降减小， 针形阀的锥角以4 5 。为宜，但若把针形阀转9 0 0 安装，效果比用球形阀好【5 耵。 1 2 3 涡流管数值模拟研究综述 随着计算机技术的突飞猛进，计算流体动力学( c f d ) 方法逐渐成为解决许多实际 问题的重要工具之一。湍流和涡旋流的数值模拟是现代计算流体力学中非常关注的问 题，出现了各种模型和解法。由于涡流管内部流场流动和传热情况十分复杂，目前还未 出现一个普遍为大家所接受的模型。文献中出现的模型有r n g k ，r e a l i z a b l e k 吧，r s m 三种。u p e n d r a 等人【5 t l 采用c f d 软件s t a r - c d ，在硬件条件为p 4 ，2 4 g h z ，1 g br a m 的电脑上进行三维模拟。采用r n gk - 模型，模拟工质为定常湍流可压缩气体。涡流管 径为1 2 r a m ，长径比( 1 0 3 5 ) ，冷孔板直径( 5 r a m ，6 m m ，7 m m ，7 5 r n m ) 均可变。对 不同喷嘴数( 1 ，2 ，6 ) ，不同喷嘴形式( 渐近线型，直型) ，不同喷嘴横截面形状( 圆 型，矩形) 也进行了模拟。边界条件为：进口压力0 5 4 2 2 m p a ( 绝压) ，进口温度3 0 0 k ； 冷端出口压力0 1 3 6 m p a ( 绝压) ；热端出口压力可变以调节热端质量流率。根据模拟 结果得到：( 1 ) 速度及温度分布沿半径的旋转速度、轴向速度、径向速度分布规律， 轴向温度分布；c 2 ) 结构参数优化六喷嘴渐开线型最优；冷孔板直径为6 m m 时，得 到最低冷端温度，7 m m 时得到最高热端温度；最优长径比；热气比率随长径比变化规 律；( 3 ) 二次流现象分析：随着冷孔板直径涡流管直径的增加，二次流现象渐渐消除， 能量分离效果变好；( 4 ) 结构参数对制冷系数的影响：长径比对制冷系数影响很小；涡 大连理工大学硕士学位论文 流管制冷系数( 长径比为l o 时，0 1 6 - 0 5 9 ) 比同样温度条件下的卡诺循环制冷系数( 长 径比为1 0 时，l o 5 2 6 5 ) 低很多，并得到了该条件下涡流管的最优结构参数。b e h e r a t ”j 和a l i j u w a v h e l t 。7 9 】也作过类似的研究。 哈尔滨工程大学的周少伟【删采用r e a l i z a b l ek - e 模型，对工质为定常湍流的理想气 体进行了模拟采用三维贴体自适应网格，以e x x a i r 公司3 2 4 0 中型涡流管结构特征为 依据建立物理模型，并对切向速度分布及温度场进行了分析。结果表明：r e a l i z a b l ek - 8 模型与r n gk - e 模型相比，对流场及温度场的预测更准确；切向运动形式呈现兰金组合 涡，强制涡占主体，并沿轴向减弱：能量分离主要发生在涡流室附近，主要原因是径向， 轴向上产生的强压力梯度。 f r o h l i n g s d o r f t t 6 1 1 采用入口粘度修正的k 8 湍流模型，以b r u u n 帅1 的实验装置及结果 为模拟比较对象进行二维模拟，得到轴向、径向、切向速度沿半径变化的速度分布。边 界条件及实验涡流管结构参数为：管长5 2 0 m m ，管直径9 4 m m ，冷板孔径3 5 m m ，喷嘴 进气面积3 6 3 m 2 ( 4 喷嘴) ，质量流量0 1 2 k g s ，进气压力2 b a r ( 绝对压力) ，进气总 温2 9 4 t ，冷流率为0 2 3 。 p o n g j e t 【6 2 】用r s m 模型对顺流型涡流管进行了二维的数值模拟，并同r n gk 吨模型 的计算结果进行了对比，结果显示r s m 模型更适合涡流旋转运动的模拟。曹永垆4 】和周 彤【6 3 】也持相同的看法。 由于受计算条件及模拟工质为不可压缩流体的限制，同样适用于涡旋流动的大涡模 拟( l e s ) 鲜有文献提及。总之，预测涡流管性能的模型选取依然是一个很有争议的问 题，缺乏系统的对比和分析。就目前的文献来看，使用r s m 模型模拟涡流管的意见仍 占主流。 1 2 4 其他研究综述 为克服涡流管应用的两个缺点，许多学者作了大量的工作，针对涡流管流量小的缺 点，哈尔滨工业大学的宋福元【4 1 】等人提出了涡流板的构想。将多个涡流管并联，集成于 涡流板上，既提高涡流管制冷特性，又提高制冷量。实验结果表明：单管和涡流板具有 相同的制冷效应和流率特性。 为缓解涡流管制冷效率低的局面，前苏联包曼大学唧】设计出了一种回流式涡流管， 即冷却后的流体分为两部分，一部分重新返回涡流管，另一部分被排放掉，两者比例由 控制阀调节，其结构如图1 4 。实验结果证明：这种涡流管的绝热效率可比一般涡流管 高5 0 。 涡流管性能研究与参数优化 p i r a l i s h v i l i t 6 5 1 等人设计出一种双向进气的涡流管，如图1 5 所示。所谓双路，就是在 热端轴向补入冷气，以提高涡流管效率。中科院的刘立强【9 3 1 等也对这种涡流管进行了研 究。结果表明：( 1 ) 冷热端温差随进口压力增大而增大，但趋势减缓；( 2 ) 热端扩压器 通道宽度( 反应冷流比) 的影响与常规涡流管有所不同，但仍存在最佳值；( 3 ) 冷板孔径 越小，制冷温降越大 图1 4 回流式涡流管示意图 f i g 1 4d i a g r a mo f v o r t e xt u b ew i t hb a c k f l o w 1 5 双向进气式涡流管示意图 f i g 1 5d i a g r a mo f v o r t e xt u b ew i t hd o u b l e i n l e t g - u i l l a u m e l 6 6 】等人尝试用双级涡流管进行实验。实验结果表明：两级涡流管的制冷 效应好于单个涡流管。 在涡流管实验研究方面也出现了某些新意，l a y 【1 9 j 采用透明的有机玻璃制造涡流室， 拍摄到管内流体的螺旋形流动。a r b u z o v t 6 7 j 等人也采用可视化方法对涡流管进行实验研 究。 还有些学者对涡流管工作工质进行了研究。m a r l y o n v s k i i 6 $ l 用氨，甲烷和二氧化 碳分别进行实验，证明这几种气体也能产生能量分离效应。m a r s h a l l l 6 9 用几种不同的混 合气体做实验，得出混合气体也有能量分离效应的结论。t a k a h a m a | 7 0 用水蒸气进行实验， 结果发现：适用于空气的涡流管结构设计经验公式同样适用于水蒸气：若水蒸气通过喷 嘴后仍为过热状态，则产生的能量分离效应与空气的相差不大；若水蒸气通过喷嘴后处 于饱和或过饱和状态，则在干度0 9 8 以下能量分离效应并不显著。b a l m e r t7 1 佣水作为 工作工质对涡流管进行实验，结果表明：涡流管内温度分离现象不仅限于可压缩气体和 蒸汽，不可压缩流体在涡流管内也可产生能量分离。c o l l i n s 和l o v e l a c e 7 2 1 用两相丙烷 作介质，实验得出：当进气流变为饱和混合态时，能量分离效应的效果将下降，当进气 大连理工大学硕士学位论文 干度大于8 0 时，能量分离效应才可以保持，当进气干度小于8 0 时，热端温度大幅降 低。w i l l i a r e s l 7 4 1 也对各种混合工质对涡流管性能的影响进行了研究。f e l e t e l 7 设计了一 种用于天然气冷凝混合物分离的涡流管，李树云等人在此基础上又作了一定的改进。西 安交通大学在研究汽液两相涡流管方面也取得了一些进展 4 7 , 7 5 , 7 6 】。 1 3 本文主要工作内容 根据上文的综述及分析，本人认为首先应当弄清影响涡流管能量分离效应的主要因 素是什么，然后对其进行优化分析，并在此基础上开展实验研究进行证实。在此思想指 导下，本文主要从以下几个方面开展研究工作： ( 1 ) 涡流管内流场数值模拟分析：分别采用l i n gk - e ，r e a l i z a b l ek - e ，r s m 及l e s 模型对选定的涡流管实验进行数值模拟，得到涡流管内流场分布、温度分布及压力分布， 将数值模拟结果与实验数据进行对比，确定数值模拟的可行性，并对应用四种湍流模型 计算的结果进行对比分析，确定最适于进行涡流管三维数值模拟的湍流模型。 ( 2 ) 涡流管参数优化分析：在( 1 ) 的基础上，对1 2 2 节提到的涡流管各参数进行优 化分析，通过分析其对四种性能参数的影响，确定其对涡流管能量分离效应的影响程度 及最优参数值，并与1 2 2 节的综述进行对照。 ( 3 ) 涡流管特性实验研究：在( 1 ) 、( 2 ) 的基础上，搭建涡流管实验台，设计实验流程。 以压缩空气为工作介质，对常温下的涡流管性能进行测试。改变