（工程热物理专业论文）涡流管内部场的理论与实验研究.pdf

哈尔滨下程大学硕十学f 7 = 论文 摘要 涡流管是一种没有运动部件的简单的能量分离装置，它能够将高压气流 分离成温度不同的低压冷热气流。由于它具有操作方便、运行可靠、免维护 等一系列优点和制冷、制热、空调以及混合物的分离等多方面功能，在科学 研究及工业等诸多领域得到愈来愈广泛的应用。涡流管几何结构虽然简单， 其中发生的能量分离过程却非常复杂，所以，关于涡流管能量分离效应的研 究一直是许多研究者研究的焦点。 本文利用热力学第一定律得到了涡流管制冷效应、制热效应及冷流比之 间的关系式。另外，分析了柱坐标系下可压缩流体湍流运动总能量方程，通 过分析发现，涡流管内发生的能量分离效应主要是由径向湍流脉动引起的热 流通量、湍流轴向剪切应力功和湍流切向剪切应力功引起的。 将涡流管类比成热交换器，建立理论分析模型，得到了冷流比等参数和 能量分离效应的函数关系式，分析了这些参数对能量分离效应的影响规律。 结果表明：冷流比、入1 3 温度、入1 3 压力及无量纲参数对涡流管的制冷、制 热效应有着极其重要的影响。 自行设计了涡流管特性研究实验台，对涡流管内部温度场进行了测试， 详细研究了冷流比这一特定因素对涡流管内温度沿径向和轴向分布的影响。 研究结果表明：所研制的测温热电偶能够满足实验要求，实验结果很好地反 映涡流管内温度场分布规律，为涡流管能量分离机理今后的研究提供参考。 将涡流管几何模型简化为二维轴对称模型，利用流体力学软件对涡流管 内的能量分离过程和流动特性进行数值模拟。研究了不同入1 3 压力和冷流比 对涡流管内不同径向位置处的总压、静压、总速、切速、轴速和温度等各个 参数沿径向分布的影响规律，研究结果表明：入1 3 压力和冷流比对涡流管的 能量分离效应有着重要的影响。这些结论为涡流管的设计和应用奠定了基础。 关键词：涡流管；冷流比；能量分离；温度场测量；数值模拟 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ev o r t e xt u b ei sas i m p l ed e v i c ew i t hn om o v i n gp a r t st h a ti sc a p a b l eo f s e p a r a t i n g ah i g h - p r e s s u r ef l o wi n t ot w ol o w e r p r e s s u r e f l o w so fd i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s d u et os i m p l es t r u c t u r e ，c o n v e n i e n tm a i n t e n a n c e ，r e l i a b l er u na n d s oo n ，t h ev o r t e xt u b eh a sb e e nf o u n di n c r e a s e du s ei nc o m m e r c i a la p p l i c a t i o n ， s u c ha sc o o l i n g ，h e a t i n g ，a i rc o n d i t i o n i n ga n ds e p a r a t i n gg a sm i x t u r e s ，w h i c hi s h i 曲l yr e l i a b l e ，a n di se a s yt or e g u l a t ea n dt oo b t a i ne n e r g yf l o w sw i t hp a r a m e t e r s t h a tv a r yw i t h i nv e r yw i d el i m i t s t h ev o r t e xt u b eh a se x t r a o r d i n a r yw i d e s p r e a d p r o s p e c ti nt h ea p p l i c a t i o n so fs c i e n t i f i cr e s e a r c h e sa n di n d u s t r i a ld o m a i n d e s p i t e t h es i m p l i c i t yo ft h ev o r t e xt u b e sg e o m e t r y ，t h ee n e r g ys e p a r a t i o np h e n o m e n o ni s q u i t ec o m p l e x s ot h ev o r t e xt u b ea n dt h e o r e t i c a lv a l u eo fc o h e r e n te n e r g y s e p a r a t i o nh a v eb e e nb e i n gf o c u s e db ym a n yr e s e a r c h e r s r e l a t i o n a le x p r e s s i o n sa m o n gc o o l i n ge f f e c t ，h e a t i n ge f f e c ta sw e l la sc o l d m a s sf r a c t i o nw e r eo b t a i n e db yt h et h e r m o d y n a m i cf i r s tl a w t h ee n e r g y s e p a r a t i o ne f f e c ti n s i d et h ev o r t e xt u b ew a sd i s c l o s e dt h r o u g ha n a l y z i n gt u r b u l e n t t o t a le n e r g y e q u a t i o no fc o m p r e s s e da i ru n d e rt h ec o n d i t i o n so fc y l i n d r i c a l c o o r d i n a t e t h ee n e r g ys e p a r a t i o ne f f e c tc a u s e db yc o m p r e s s i b l es w i r la i ri n s i d e t h ev o r t e xt u b ei sm a i n l yd u et or a d i a lh e a tf l u x ，v i s c o u ss h e a rw o r ki nt h ea x i a l a n dt a n g e n t i a ld i r e c t i o n an e wt h e o r e t i c a l a n a l y s i sm o d e lw a se s t a b l i s h e d t o u n d e r s t a n d t h e m e c h a n i s mo ft h ee n e r g ys e p a r a t i o ne f f e c tw i mt h ec o l dm a s sf l o wf r a c t i o na n ds o o ni nav o r t e xt u b eb ya n a l o g i z i n gi ta sah e a te x c h a n g e r t h e s ep a r a m e t e r s c o m p a r e dw i t ht h ee n e r g ys e p a r a t i o ne f f e c tf u n c t i o nr e l a t i o n s h i pw e r eo b t a i n e d t h ec o l da i rf r a c t i o nt oi n f l u e n c er u l eo ft h ee n e r g ys e p a r a t i o ne f f e c tw a sa n a l y z e d t h er e s u l ti n d i c a t e d ：t h ec o l da i rf r a c t i o n ，t h ei n l e tt e m p e r a t u r e ，t h ei n l e tp r e s s u r e a n dt h en o n - d i m e n s i o n a lp a r a m e t e rmt oc o o l i n ge f f e c t ，h e a t i n ge f f e c th a dt h e e x t r e m e l yi m p o r t a n ti n f l u e n c e a ne x p e r i m e n t a la p p a r a t u si s s p e c i a l l yd e s i g n e da n da m o u n t e df o r t h e 哈尔滨一i ：= 稃人学硕十学位论文 p u r p o s eo ft e s t i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft e m p e r a t u r ef i e l d i nav o r t e xt u b e t h e i n f l u e n c e so fc o l da i rf r a c t i o no nt h ed i s t r i b u t i o n so fv a r i o u sf l o wp a r a m e t e r s a l o n gd i f f e r e n ta x i a la n dr a d i a ld i r e c t i o n sw e r ei n v e s t i g a t e d 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a t t h eb a r et h e r m o c o u p l e sc a nm e e tt h ee x p e r i m e n t a lr e q u i r e m e n t sv e r yw e l l ，t h e t e m p e r a t u r ep r o f i l e sf r o me x p e r i m e n t sa r es h o w nt oa g r e ea c c u r a t e l yw i t ht h e p r e v i o u ss t u d i e s ，w h i c hp r o v i d eac r e d i b l em e a n sf o rf u r t h e rs t u d yo nt h e m e c h a n i s m so ft h ee n e r g ys e p a r a t i o ni n s i d et h ev o r t e xt u b e at w o - d i s m e n s i o n a la x i - - s y m m e t r i cc f dm o d e lh a sb e e nd e v e l o p e dt h a t e x h i b i t st h eg e n e r a lb e h a v i o re x p e c t e df r o mav o r t e xt u b e n ei n f l u e n c e so fi n l e t p r e s s u r ea n dc o l da i rf r a c t i o no nt h ed i s t r i b u t i o n so ft o t a lp r e s s u r e ，s t a t i cp r e s s u r e ， t o t a lv e l o c i t y ，t a n g e n t i a lv e l o c i t y ，a x i a lv e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ea td i f f e r e n tr a d i a l l o c m i o nv a r i o u sw e r ei n v e s t i g a t e d 。刀培r e s u l t ss h o w ：刀砖i n l e tp r e s s u r ea n dt h e c o l df l o wf r a c t i o nh a dt h ei m p o r t a n ti n f l u e n c et ot h ev o r t e xt u b ee n e r g ys e p a r a t i o n e f f e c t t h e s ec o n c l u s i o n sp r o v i d e dt h ef o u n d a t i o nf o rd e s i g n i n ga n da p p l i c a t i n go f t h ev o r t e xt u b e k e y w o r d s ：v o r t e xt u b e ；t h ec o l dm a s sf r a c t i o n ；e n e r g ys e p a r a t i o n ；m e a s u r e m e n t s o ft e m p r a t u r ef i l e d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：庄乏牵4 - ，1 、 日期：砌万年了月扩e l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 涡流管又称“r a n q u e - h i i s c h 管”，是一种新型能量分离设备。它由喷 嘴、涡流室、分离孔板、热端调节阀以及冷热两端管组成。高压气体由进气 导管进入涡流管喷嘴，在喷嘴中膨胀降压后沿切向进入涡流室，在涡流室内 产生强旋湍流流动，经过动能和热能交换，产生能量分离效应，分离成温度 不同的两部分气流。中心部分的气流温度较低，在调节阀与冷端孔板之间的 压力差作用下，经分离孔板从冷端管流出，形成冷气流；而处于外层部位的 气流温度较高，以相反的方向经热端管从调节阀流出，形成热气流；于是同 时获得制冷和制热两种效应。通过调节热端调节阀的开度可以调节冷、热气 流的比例，可以得到最佳制冷效应或最佳制热效应。图1 1 所示为涡流管工 作过程及结构示意图，图中给出了气流在管内的大致流动状况。 冷端压盖分离孑l 板涡流室 冷气流 热 气 流 入口气流、 图1 1 涡流管工作原理示意图 从它问世以来，涡流管能量分离机理及其相关效应的研究一直是国内外 工程热物理、流体力学等领域专家学者的研究热点，近十几年来由于其分离 机理的理论价值和巨大的应用潜力，越来越受到国内外专家的关注。 1 2 涡流管的应用 哈尔滨工程大学硕士学何论文 由于涡流管能量分离装置具有结构简单，占用空间小，无运动部件，造 价低廉，操作简单，运行可靠，寿命长，适应范围广等优点，使世界上许多 国家的研究者和公司对其实际应用都产生了浓厚的兴趣，在制冷、制热、气 体和固体干燥，混合物分离等诸多方面已取得成功应用。在制冷方面主要应 用于冷却机械加工中的零件，冷却电力控制柜，冷却电子元件、轴承、焊接 零件、固化热融化物，为核磁共振探针提供冷空气、给采样气体降温、热电 偶的冷结点恒温、实验室的加热或制冷、生物冷冻、内外科手术冷却环境仓、 冷却食物等。在混合物分离方面主要应用在涡流管中混合物以极高的切向速 度旋转，所产生的离心力比重力大数万倍，可有效地使混合物分离。涡流管 分离可用于烃化或其它类似过程中，将氢和高分子量的组分分离，亦可分离 得到冷凝液。将多根涡流管串联，进行类似于化工生产中的逆流操作，可使 混合物的分离效果更好。在石油天然气工业中，采用涡流管制冷井口原生气 脱水净化方案可有效去除天然气、石油伴生气中含有的水和其它杂质，可以 消除危及高纬度地区传输管道安全重大隐患。另外，在液化天然气和液化石 油气的生产、储运和应用等环节，均可应用涡流管以提高能源综合利用率。 同时在合成氨尾气中氨的回收，油罐或储槽上方有机组分的回收，柴油机尾 气处理，c 0 2 的去除等方面有着很广泛的应用。在有限空间生命环境保障方面 主要应用于航天空间站、水下潜器载人舱等有限空间的生命环境保障条件要 求对空间温度、湿度调节控制，同时要对循环气体进行净化、分离。涡流管 的其它用途还包括蒸汽发电机的快速启动，核反应堆，冷却消防员的衣服， 冷却涉及到爆炸化学药品的实验室，空气驱动器的温度控制，低压方面的应 用等等“- 。 涡流管以其小巧、灵活、坚固的结构，非常特定环境下的强适应能力， 独特的冷却方式，稳定可靠的工作模式以及安装方便，成本经济的特点在许 多领域发挥了独特的功能。随着制冷技术的不断发展，涡流制冷、制热、除 湿、除盐以及空分等各个行业的应用将会发挥越来越重要的作用。 1 3 涡流管的发展进程 涡流管能量分离效应被发现的历史可追溯到1 9 2 8 年，当时，法国冶金工 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 程师乔治兰克在制作一种把瓦斯从矿物粉中分离出来的涡旋分离器时发现 了一种令人难以置信的现象，即从涡流分离器中分离出来的气流的中心温度 和周边各层的温度是不同的，位于中心层的瓦斯的温度比进口瓦斯的温度低， 而位于外层的瓦斯的温度则比进口瓦斯的温度高，这就是著名的兰克效应， 又称“涡流效应 。1 9 3 1 年兰克发表了首篇关于涡流管的论文并于同年1 2 月在法国申请了世界上第一个涡流管专利。1 9 3 3 年，兰克在法国物理协会的 会议上做了关于压缩空气在涡流管中分离成冷、热两股气流的学术报告。兰 克在报告中指出：温度为2 0 的压缩空气进入涡流管以后，从管中流出来的 冷气流温度约为- 1 0 一2 0 ，而热气流温度可达1 0 0 左右。然而这个报 告在当时却遭到了一些与会专家的怀疑甚至反对，兰克的这项重大的发现因 此被搁置了十多年之久。在其后的1 0 多年中，对于涡流管的研究基本上处于 停滞状态。直到1 9 4 5 年，德国物理学家赫尔胥h i l s c h 哺3 发表了关于大量的涡 流管实验研究的论文，文中运用了大量有力的实验数据证实了涡旋温度分离 效应，并就涡流管的结构设计和实际应用等问题提出了一系列有价值的建议。 直到这时，涡流管冷热分离效应才被人们普遍关注并得到广泛承认。鉴于两 人做出的巨大贡献，涡流管又被称为“兰克一赫尔胥”管。 上个世纪五六十年代成为涡流管的研究的鼎盛时期。涡旋效应于1 9 4 6 年前后开始传入美国，美国的研究者们发表了大量有关涡流管的文章，多次 获得这方面的专利。六十年代以后，法国、德国、加拿大、苏联、日本、丹 麦、荷兰、英国、印度以及埃及等国家的学者们也先后对涡流管进行了大量 的实验研究和理论探讨。除了对涡流管的整体性能研究以外，人们逐渐开始 对涡流管内流动状态以及温度场进行实验测定，出现了关于涡流管内流动状 态的经典性描述。在此基础上，研究者们提出了相应的理论来解释涡流管的 能量分离机理。在此期间，涡流管在许多工业领域得到了实际应用。 国内的研究起步相对较晚，先后有西安交通大学、大连理工大学、上海 交通大学、华南理工大学、北京工业大学和浙江大学等高校对涡流管进行了 研究，但其中大多数的研究以涡流管的特性实验研究和应用研究为重点，对 涡流管能量分离机理进行研究的较少。 进入2 1 世纪以来，随着测试手段的进步以及计算流体力学技术的发展， 为揭示涡流管能量分离机制、优化涡流管结构设计、提高涡流管效率以及拓 哈尔滨工程大学硕士学位论文 展其应用范围提供了一个更好的时机。我们应该抓住这个大好机会，借助现 有的研究手段，为涡流管的研究进展贡献一些有价值的参考。 1 4 涡流管内部场的研究进展 涡流管的内部场包括温度场、压力场和速度场。从实际应用的角度来看， 对于涡流管内部场的研究或许并不那么重要，但是，如果从改善涡流管能量 分离效应，优化涡流管结构的角度分析，涡流管内部场的研究就是十分必要 了。因此，广大研究者除了对涡流管整体性能进行研究之外，对涡流管的内 部场也做了大量的研究工作，为优化涡流管结构、揭示涡流管内部深层的能 量分离机理以及建立合适的数学模型提供可行性依据。 1 4 1 涡流管内流动形态研究进展 涡流管内流动形态的研究可以通过注入液体和烟雾进行可视化研究。 l a y n 利用透明合成树脂设计了一个涡流管，他分别利用烟气和锯屑充当添加 物来观察涡流管内的流动形态，在速度较小的情况下，可以观察到内部流体 的大致形态，但是当速度较大时，则无法观察到其运动状态。后来他又利用 五彩纸屑作为添加物，实验刚开始时出现了较好的效果，但一段时间之后， 由于纸屑与管壁之间的静电效应，使纸屑黏附在管壁上，影响了流场的视觉 化效果。后来，他将有色液体和牛奶混合注入涡流管内，利用照相机清晰的 拍摄到了涡流管内部流场的三维效果图；由此可见，采用添加外来物的流动 显形方法难以精确显示出涡流管内三维的真正流动形态。因为这种方法的一 个主要弊病在于：涡流管内的相当大的离心力会对混合物产生分离作用，导 致外来添加物不可能与工作的气体保持一致的运动状态；其次，由于涡流管 内的流体是强旋的湍流运动，所加入的外来物极易与周围的介质混合，降低 了可视化效果的准确性。p i r a l i s h a v i l i 将煤油与空气比例为1 ：3 0 的混合物 注入到耐热玻璃材料制作的双路锥型结构涡流管内进行研究，观察到了涡核 压缩、延伸、扭曲以及转化为强制涡的过程n ”。a y d e n “们制作了一个有机玻璃 涡流管，用流动显形技术观察到涡流管内部的流动状态，明显的呈现出三维 4 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 旋流状态。s i b u l k i n 用碳粉和油构成的混合物进行研究。所有这些研究都是 通过注入流体来追踪其在管壁上的流动轨迹啪，。利用透明合成树脂涡流管观 察流体颗粒的流动轨迹，可以观察到近壁面处固体颗粒围绕中心轴旋转，表 明气体流动类似于兰金涡流动。通过烟雾可以清晰观察到气体在涡流管轴线 方向上的流动路径。从流动模拟中可确定涡流管内存在两种不同的旋流区域 即在轴线方向上，向热端流动的区域为外部区域，向冷端流动的区域为中心 区域。流动可视化研究技术的缺点是不能获得定量的信息和涡流管内部温度 分布。激光多普勒测速仪通过真实地采集每个时间点的动态测量值来绘制整 个涡流管区域的图像。然而，涡流管的弯曲表面带来一些视角上的问题，为 了获得更好的效果需要人工加入一定密度的反光粉，但由于涡流管内的离心 加速度很高，使反光粉都集中在管壁附近，轴心附近的测量还是存在一定的 困难。 1 4 2 涡流管内速度场研究进展 流动可视化技术仅仅是可以直观的观察到内部流体流动状态，而要想获 得管内某一确定位置处的速度、压力、温度值时，则需要采用接触式测量探 针来进行测量。在涡流管这么复杂而又狭小的流场空间内，采用接触式测量 方法显然对流动产生一定的干扰。但由于技术水平的限制，接触式测量仍然 是涡流管内流场测量的主要手段。s c h e p e r 悖”，h a r t n e t t ，r e y n o l d s ， s i b u l k i n 心”，b r u u n 懈1 ，t a k a h a m a 协删，p i r a l i s h a v i l i ( 1 1 l 等都是通过旋转单孔探 针取压孔的不同角度，测出管内的总压和静压，然后依据伯努利方程求出内 部场的速度值，最后根据取压孔旋转的不同角度。得出了不同位置处的轴向 和切向流速。 1 4 3 涡流管内温度场研究进展 h a r t n e t 和e c k e r t t 删对直径为7 5 m m 、具有8 个喷嘴，由树脂玻璃制成的 涡流管进行研究，用接触探针获得涡流管内部数值，入口压力范围从6 8 k p a 到1 3 6 k p a ，他们的实验结果描述了管内所有位置的兰金涡，总温随半径基本 成线性增加。中心与外边缘总温差愈接近热端出口越小，且最冷的气流在涡 哈尔滨工程大学硕士学位论文 流管内经过很短的距离就通过孔板流出，与环境有明显的热量交换。在轴线 附近有明显的回流。b r u u n t 蚓利用直径为9 4 m m 的树脂玻璃逆流涡流管获得相 似的结果。t a k a h a m a t 纠对直径为2 7 6 m m 到7 8 m m 的涡流管进行研究，获得大 量的研究数据，t a k a h a m a 和s o g a 伫| l 贝0 通过实验测量温度和压力，获得涡流管 内温度和压力分布公式。l a ym 1 ，s i b u l k i n l “3 “，r e y n o l d s ”，a h l b o r n 旧， g a o m 一等用热电偶来测量温度，其中l a y ，r e y n o l d s 和t a k a h a m a 所用测试探 针相对于涡流管的几何尺寸相对较大，探针所引起的测量误差不能被忽略。 r e y n o l d s 和a h l b o r n 所用的探针虽然比较小，但是由于没有校准，误差也比 较大；因此，所有这些结果也只能用于定性分析。 1 5 涡流管能量分离机理研究进展 由于涡流管内的流动规律以及由此所产生的能量分离效应异常复杂，至 今没有一种精确的理论能够从本质上解释其效应。尽管如此，仍有相当一部 分研究者提出了各种各样的理论模型，这些理论模型从不同的视角考察了涡 流管内的能量分离过程，为我们多方位地认识能量分离过程之实质以及评估 涡流管的能量分离效果提供了帮助。此外，通过对这些理论的分析，对我们 今后研究涡流管能量分离机理也有一定的参考价值，本小节将对涡流管能量 分离物理机制的研究进展做较为系统的描述与分析。 1 5 1 理论模型研究的进展 关于涡流管能量分离机理的研究从上世纪4 0 年代就已经开始了，研究者 对涡流管内能量分离效应进行了较为全面系统研究，同时也提出了各自不同 的观点，r a n q u e 4 1 是研究涡流管的第一人，在他的早期研究中，他认为内旋气 流的绝热膨胀过程和外旋气流的绝热压缩过程是产生涡流管能量分离效应的 根本原因。h i l s c h 隋认为产生涡流管能量分离效应的根本原因除了r a n q u e 理 论中所提到的原因之外，还应该包括内外旋气流层之间的粘性摩擦效应。而 实际上涡流管内的气体运动过程并非绝热过程。在h i l s c h 动能迁移理论的基 础上，f u l t o n i 3 5 ，假设，涡流管内气流所形成的拟自由涡在运动过程中发生动 6 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 能的径向交换，导致沿径向逐渐出现温度梯度。根据上述假设，f u l t o n 提出 了自由涡一强制涡模型：气流经喷嘴流出时形成了自由涡，随着气流在向热端 运动的过程中，气流层之间的摩擦效应使各个径向位置处的角速度相一致进 而形成了强制涡。在内摩擦的过程中，外旋气流获得的动能远远超过其内能 的损耗，因此外旋出口气流的总温有所升高，而内旋气流损失了大部分动能， 因此内旋出口气流的总温会有所下降。他推导出了理论中的冷端最大温降和 普朗特数的关系式： 丝婴：l 一上( 1 一1 ) 2 0 2 丹 式中：乃m 戤_ j 令端最大温降，k ； z 。等熵膨胀时的冷端温降，k ： 普朗特数。 式( 卜1 ) 中z 。可由式( 1 - 2 ) 计算得到： 瓦= 巧f 一( 詈 。1 c 一2 ， 式中：z 入口温度，k ； 研入口压力，m p a ； 环拎端出口压力，m p a o ，气体绝热指数。 其后，l a y m 和w e b s t e r m l 以自由涡一强制涡模型为基础进行了大量的研 究，同样认为气流层之问的摩擦效应是涡流管能量分离的根本原因。d e i s s l e r 和p e r l m u t t e r 协”考虑了二维轴对称的可压缩旋流方程，在式中引入了湍流扩 散系数。在指定轴向速度分布关系式的基础上，通过连续方程推导出了涡流 管内的径向速度分布，其次根据可压缩轴对称旋流方程得出了切向速度分布 关系式，此切向流速的径向分布近似呈现兰金涡，且结果与试验值有很好的 比拟性。最后利用修正的能量方程说明了径向压力梯度下所产生的旋涡膨胀 和压缩效应导致了涡流管内的能量分离效应，并将该模型的预测结果与 h a r t n e t t 的实测结果相比较，两者吻合较好。h i n z e 3 。1 同样认为径向压力梯度 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 下的旋涡膨胀与压缩行为是涡流管内能量分离的根本原因。p l o t n i k o v m l 采用 了类似的思想，假设了气体的不可压缩性，并引入了循环流的概念，得出了 涡流管内的一系列特征数随普朗特数、循环流比率的变化曲线。 s c h e p e r 2 “和g u l y a e v 舯1 等认为，高压空气经过喷嘴经历近似绝热膨胀的 过程，在喷嘴出口处具有最低的热力学温度，当气流向调节阀流动时，由于 周向速度的耗散，其静温逐渐升高。在内层回流气流中，由于其来自热力学 温度最高的热端，因而在同一截面上其热力学温度高于外层气流，导致热量 由内层传入外层。并以此为基础，提出了涡流管类比换热器模型，将模型所 预测的结果与h il s c h 的试验值进行了比较。l e w i n s 以热力学第一定律和类 比换热器模型为依据，提出了涡流管能量分离效应的最优化理论。 m k u r o s a k a 认为流入涡流管的气流在管中形成螺旋波，螺旋波又在管壁 附近激发起斯托克斯涡波，然后斯托克斯涡波又激发出声波，结果造成自激 声涡共振，使得旋流的周向速度剖面发生显著改变，从一个具有细涡核的 r a n k i n e 涡变成充满管道( 边界层除外) 的旋转固体式涡核，能量从中心区 转移到近壁区域，造成总温的分离。他发现在涡流管的旋流中伴有频率正比 于旋流度的涡啸声，一旦抑制了它，涡流管内的能量分离效应则随即消失， 这正是声涡相互作用形成整流的征兆m 1 。h a r t n e t t 认为，涡流管内能量分离 是由于离心场中气体微团湍流流动产生的能量脉动所引起的。这部分能量从 轴心处的低压流体跃至外层高压气流中，并随流体由喷嘴至调节阀处的流动 不断地传送出去糟1 。 s i b u l k i n 运用数学模拟方法来研究涡流管，通过引入一些合理假设，模 拟出涡流管中的温度场和速度场。他认为涡流管的能量分离主要是由轴向与 径向的不同膨胀和轴心部分与外缘部分的热传导所引起的心”。 a h l b o r n 把涡流管内的能量分离效应等效成一个绝热膨胀、能量吸收、 绝热压缩和放热过程。并给出了涡流管制冷效应、制热效应与工质种类和物 性参数以及冷气流率之间的关系式；此模型使用了不可压缩状态下的伯努力 方程，且假定了喷嘴出口的切向速度呈现强制涡模型m 。g a o 在此模型基础 上，考虑了流动过程的可压缩效应，同时假定喷嘴出口处的气流呈现强制涡 一自由涡组合运动，修正了其关系式，并用实验数据验证了结果的准确性。“。 但是他们所建立的经验关系式仅仅是考虑了涡流管的单喷嘴效应，适应范围 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 较小。b e h e r a ，p a u l ，k a s t h u r i r e n g a 等却认为通过适当的改变涡流管的结构 和调节冷气流率的大小可以消除涡流管内的循环流m 。 国内的研究者在这方面的研究相对较晚，但也出现了不少有代表性的结 论。其中，巫江虹认为在涡流管这一刚性容器中，气体沿流线的能量传递只 能是气体焓值变化引起的，并存在着径向膨胀功和切向膨胀功，径向膨胀功 与向心力场功相平衡，切向膨胀功与摩擦力功相平衡，功输出的结果是气体 焓值的变化，他以此思想为基础，推导出了涡流管内压力场、速度场与温度 场表达式，并通过实验进行了验证。结果表明：涡流管产生冷热气流分离的 机理是由于从“自由涡流 向“强制涡流 的转变，引起了气流层间的摩擦， 使能量从中心传递到边缘。涡流管内部温度场的分布由速度场决定，与冷气 流率、入口压力及结构参数有关n ”。 颜幼平等从总能量守恒方程出发，利用等熵压缩与等熵膨胀解释总温分 离的机理，导出了引起总温分离的三大因素：作用在流体微团上的粘性应力 功：不定常性、导热等因素引起传热，并证明在无传热的条件下，涡流管中 的总温分离是由压力场的不定常性和粘性所引起的。 杨承认为中, b i g 压及由于轴向静压差的作用而在低压区周缘产生的旋转 涡对是涡流管内部流场的基本特征；旋转涡对膨胀从而对外环的气体做功是 涡流管产生总温分离效应的重要原因，该旋转涡对周期性的产生与脱落诱发 流体振动是涡流管工作噪声的主要来源。他认为该理论从旋转涡对膨胀做功 的角度分析了涡流管总温分离效应的机理，能较好地解释各热力参数对涡流 管总温分离效应的影响及有关的实验现象“”。 老大中等假设涡流管喷嘴出口的切向流速分布呈现兰金涡组合模型，提 出了喷嘴附近截面气流参数的近似计算方法。此计算方法考虑了湍流普朗特 数随冷气流率的变化，根据实验数据拟和得到的湍流普朗特数的变化规律与 f l u t o n 的理论相一致。且用温度效应的试验数据对计算值进行检验，结果表 明，计算值与试验数据比较吻合嘲。 唐玉力认为涡流管的能量分离效应是由喷嘴制冷效应和涡流室制冷效应 两部分组成的。高压气体从喷嘴射出的过程是一个不可逆节流过程，考虑了 节流的实气体效应和节流的速度效应，对n 2 、h ：、o ：、h e 四种气体进行了定 量计算，得出了不同的初温、压差和流速的节流效应，结果表明：初温和流 9 哈尔滨：1 ：程人学硕士学位论文 速对温差的影响较大，而压差对温差的影响不太明显；预冷和提高节流后气 体速度能提高温降幅度，流速在节流过程中有重要影响；摩尔质量大的气体 制冷效果比摩尔质量小的气体要好，摩尔质量成为影响动态节流效果的决定 性因素旧1 。 浙江大学的曹勇把涡流管作为整体系统部件，应用热力学第二定律对其 内部的不可逆过程进行分析和研究，得出要产生能量分离的温差所需的最小 压差，并在焓熵图上表示出了涡流管内部的熵增过程：进入涡流管的压缩 气体通过喷嘴，理想等焓过程产生的膨胀功，一部分用于产生涡流管的能量 分离，一部分用于抵消涡流管的不可逆损失悔”。 哈尔滨工程大学的蔡洁等通过实验研究得出涡流室内气体膨胀所产生的 压力梯度是导致涡流管产生能量分离最重要的原因之一。由于流体的压缩与 膨胀，使外层流体的温度和压力升高，而涡流室内层却形成了一个相对低温 低压区域，导致涡流管的冷端出现低温气流m 1 综上所述，目前对于涡流管的能量分离效应仍一直在探索，很多学者给 出了不同的物理模型，包括热力学理论模型，气体动力学模型，熵产理论和 湍流模型等假设，企图从不同角度给出涡流管的物理模型，以获得涡流管的 能量分离效应。然而得到的结论各不相同，涡流管的能量分离效应的机理还 没有最后的定论。 1 5 2 数值模拟方面的研究进展 f r o h l i n g s d o r f 利用商用计算流体力学软件c f x ，得出了湍流普朗特数对 能量分离效应的影响变化规律，计算结果表明湍流切向剪切功是涡流管能量 分离的主要原因旧1 。同样，a l j u w a y h e l 利用f l u e n t 得到了涡流管内速度、温 度场分布，并将涡流管内的流动区域划分为三个子区域：热气流区域、冷气 流区域以及循环流区域，通过在各个控制子区域内的数值积分，说明了涡流 管内的能量分离效应主要由切向、轴向剪切功以及气流层之间的热传递引起 的m 1 。s i b u l k i n 认为涡流管整个三维流场内速度的马赫数小于1 ，将非稳态 动量方程与非稳态能量方程解耦。在他的模型中假设了喷嘴出口处的气流在 与喷嘴宽度大小相一致的环行区域内处于旋转运动状态，而中心处的气流则 处于静止状态啪3 ”。通过数值计算的方法得到了不同时刻的速度、压力与温度 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 场分布，且将预测的结果与l a y “ 的试验结果及自己的实测结果进行了较好的 比较。他认为涡流管的能量分离效应主要是由于内环气流与外环气流在沿轴 向运动过程中的不同膨胀以及静止的内环气流向高速运动的外环气流的热传 导引起的。 除了上述的理论分析，曹勇还利用b r u u n 的实验模型对涡流管内部场进 行了二维c f d 数值模拟，并把所得到的模拟结果与实验数据进行对比，模型 同实验数据吻合较好，说明了涡流管内传热对温度分离效应影响很大，而冷 流比是影响传热的重要因素汹1 。 哈尔滨工程大学的周少伟利用c f d 数值模拟技术对涡流管内三维可压缩 强旋流气体的流动和换热过程进行数值模拟，清晰地勾勒出涡流管内三维流 场的全景式“图画，获得了管内的温度分布规律。将模拟结果与试验值相 比较，二者吻合较好，验证了数值模拟结果的准确性1 。 1 6 本文的主要研究内容 通过对前人研究结论的分析，作者认为，涡流管能量分离效应的理论与 实验研究对于揭示涡流管能量分离机理，拓展涡流管的应用领域，推动流体 力学、传热传质学及热力学等交叉学科的应用无疑都具有十分重要的意义。 为此，本文从以下几个方面展开研究工作： 1 、以热力学第一定律作为依据，对涡流管的热力学过程进行分析；通过 简化柱坐标系下可压缩气体湍流运动状态时的总能量方程，对能量分离的内 因进行分析和探讨，分析方程中各个物理量对涡流管能量分离效应的影响， 提出涡流管能量分离的基本条件。 2 、建立涡流管类比热交换器的理论模型。以此模型为基础定性的探讨涡 流管内的能量分离效应。用该理论推导出制冷效应、制热效应及绝热效率同 冷流比之间的函数关系式；并由这些关系式来分析涡流管能量分离的特点和 各主要参数对涡流管能量分离效应的影响。 3 、自行设计涡流管装置研究实验台，以压缩空气为工作介质，对不同冷 流比的条件下涡流管能量分离性能进行系统的实验研究。 4 、为了研究冷流比对涡流管内温度沿轴向和径向分布规律的影响，将热 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电偶测温探针应用于管内温度的测量，对涡流管内部温度场进行测试。 5 、确定出一套适合涡流管能量分离过程的数值模拟方法，并利用计算流 体软件f l u e n t 6 3 对涡流管内的能量分离过程进行数值模拟，通过改变冷流 比和入口压力，来分析这两个重要参数对涡流管内速度场、压力场以及温度 场分布的影响。同时针对数值计算结果对管内的流动及能量分离过程进行详 细的分析。 1 2 哈尔滨： 程大学硕士学位论文 第2 章涡流管能量分离效应的理论分析 2 1 概述 关于涡流管能量分离理论的研究一直是许多国内外学者研究的热点和难 点，以往的一些理论从不同的视角考察了涡流管内的能量分离过程，为我们 全面认识能量分离过程的分离效果提供了一定的依据。从宏观上看，涡流管 内可压缩气体发生能量分离过程后产生了相对入口温度较高的热气流和相对 于入口温度较低的冷气流：但是可压缩旋转流在涡流管内运动过程时所表现 出的总温沿轴向、径向呈梯度分布的现象却是一个不容易得到的结果。 结合以上的分析，本章以热力学第一定律作为总的依据，并根据问题的 具体条件，推导出相应的数学模型，得到若干重要的结论。然而，这种研究 方法并不能说明涡流管内发生能量分离效应的根本原因。而通过对内部速度、 压力以及温度场的研究则恰恰可以找到涡流管发生能量分离效应的真正原 因，研究者们目前普遍认同的一个观点是：涡流管内进行的是三维可压缩湍 流流动，而总温沿轴向、径向的再分布是能量分离效应的主要表现。因此， 为了寻找涡流管内部流场和温度场的本质规律就必须深入分析可压缩气体在 湍流运动状态下的总能量方程。 针对上述提到的涡流管能量分离效应的理论研究方法，本章分别采用热 力学和流体力学知识，深入分析涡流管能量分离的过程。 2 2 涡流管热力学方法研究 2 2 1 涡流管的热力学分析 如图2 1 所示，高压气体从涡流管入口处切向进入涡流管之后在涡流管 内分离成总温不等的两部分气流，为了分析涡流管内的热力学过程，我们把 涡流管看成一个系统。为了简化分析过程，我们做了一定的假设： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 、涡流管内的流动达到稳定状态； 2 、涡流管中气体为定比热的理想气体； 3 、假设管壁为绝热的，和外界没有热量交换。 图2 1 是一逆流涡流管系统的示意图，由于涡流管内的流动已经达到稳 定，根据流动稳定的条件，系统的能量是不变的。 涡流管入口1 冷端出口2 热端出n 3 图2 1 涡流管热力学系统示意图 由图2 1 可见，此热力学系统是由涡流管入口l 、冷端气流出口2 和热 端出口3 组成的，入口工质质量为m ，千克，冷端出口的质量为千克、热端 出口的质量为千克，由系统的质量守恒定律可得t 镌= m c + m h ( 2 1 ) 我们定义涡流管的冷流比为： 1 z = m 。m f ( 2 - 2 ) 将式( 2 - 2 ) 代入式( 2 - 1 ) ，则可变为如下的关系式： 1 一z = m m f ( 2 3 ) 入口工质流入涡流管系统所带进的能量： 1 e = 也( 哆+ 去k 2 + 钇) ( 2 4 ) 二 另外，由于入口压力为p ，比容为吩，因此要使外界的工质进入系统， 外界必须用力来克服前面工质的阻挡，推动前面的工质之后进入系统内，此 时外界