（机械电子工程专业论文）涡流管数值模拟及其应用研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 涡流管是一种结构简单、具有制冷和制热等功能的能量分离装置，同时有着免 维护、节能环保、造价低廉等优点。为了提高涡流管制冷效率，弄清涡流管性能与 喷嘴结构参数之间的关系，本文采用正交试验方法设计了涡流管喷嘴优化的实验方 案。另外利用有限元分析软件f l u e n t 对涡流管内部的温度场、速度场和压力场进行 了二维的数值模拟，并讨论了入口温度、入口压力对涡流管能量分离效应的影响。 还对涡流管应用于屏柜散热的情况进行了三维的数值模拟，得出了屏柜内的温度 场、速度场分布以及入口速度对散热效果的影响，并与传统的水冷散热方式做了对 比。最后在广泛分析国外先进涡流管应用技术的基础上，将涡流管应用技术引进到 了我国天然气输配调压系统以及电子设备散热方面。 关键词：涡流管，喷嘴优化实验，数值模拟，天然气调压，散热 a b s t r a c t v o r t e xt u b ei sas i m p l ed e v i c ef o r e n e r g ys e g r e g a t i n gw i t h f u n c t i o n so f r e f r i g e r a t i o n a n d h e a t i n g ，a n d i th a s f o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：m a i n t e n a n c e - f r e e ， e n e r g y s a v i n g ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，i n e x p e n s i v ea n ds oo n i no r d e rt oi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fc o o l i n ga n dg e tt h er e l a t i o n s h i po fv o r t e xt u b e sc h a r a c t e ra n dn o z z l e s s t r u c t u r e ，ae x p e r i m e n t a ls c h e m eo fn o z z l e ss t u r c t u r eo p t i m i z i n gw a sd e s i g n e du s i n g o r t h o g o n a lm e t h o d i na d d i t i o n ，t h e2 dt e m p e r a t u r ef i e l d ，v e l o c i t yf i e l da n dp r e s s u r e f i e l dw e r es i m u l a t e db yf l u e n ts o f t w a r e ，a n dt h ee f f e c to fi n l e tt e m p e r a t u r ea n di n l e t p r e s s u r ew e r es t u d i e d m o r e o v e r ，t h ec a b i n e t s3 dt e m p e r a t u r ef i e l da n dv e l o c i t yf i e l di s a l s os i m u l a t e db yf l u e n ts o f t w a r ew h e nv o r t e xt u b ew a su s e dt oc o o lt h ec a b i n e t ，a n d t h i sv o r t e xt u b ec o o l e dm e t h o dw a sc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lw a t e r c o o l e dm e t h o d f i n a l l y ，t h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yo fv o r t e xt u b e sa p p l i c a t i o nw e r ei n t r o d u c e dt ot h e p r e s s u r e r e g u l a t i n gs y s t e mo fn a t u r a lg a sa sw e l la st h ec o o l i n go fe l e c t r o n i ce q u i p m e n t o nt h eb a s i so f a n a l y z i n gt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g ya b r o a dw i d e l y l iw e i ( m e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i uy a n p i n g k e yw o r d s ：v o r t e xt u b e ，n o z z l e so p t i m i z i n ge x p e r i m e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， p r e s s u r e r e g u l a t i n gs y s t e mo fn a t u r a lg a s ，c o o l i n g 华北电力大学硕士学位论文 摘要 涡流管是一种结构简单、具有制冷和制热等功能的能量分离装置，同时有着免 维护、节能环保、造价低廉等优点。为了提高涡流管制冷效率，弄清涡流管性能与 喷嘴结构参数之间的关系，本文采用正交试验方法设计了涡流管喷嘴优化的实验方 案。另外利用有限元分析软件f l u e n t 对涡流管内部的温度场、速度场和压力场进行 了二维的数值模拟，并讨论了入口温度、入口压力对涡流管能量分离效应的影响。 还对涡流管应用于屏柜散热的情况进行了三维的数值模拟，得出了屏柜内的温度 场、速度场分布以及入口速度对散热效果的影响，并与传统的水冷散热方式做了对 比。最后在广泛分析国外先进涡流管应用技术的基础上，将涡流管应用技术引进到 了我国天然气输配调压系统以及电子设备散热方面。 关键词：涡流管，喷嘴优化实验，数值模拟，天然气调压，散热 a b s t r a c t v o r t e xt u b ei sa s i m p l e d e v i c ef o r e n e r g ys e g r e g a t i n gw i t h f u n c t i o n so f r e f r i g e r a t i o n a n d h e a t i n g ，a n d i th a s f o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：m a i n t e n a n c e - f r e e ， e n e r g y s a v i n g ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，i n e x p e n s i v ea n ds oo n i no r d e rt oi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fc o o l i n ga n dg e tt h er e l a t i o n s h i po fv o r t e xt u b e sc h a r a c t e ra n dn o z z l e s s t r u c t u r e ，ae x p e r i m e n t a ls c h e m eo fn o z z l e ss t u r c t u r eo p t i m i z i n gw a sd e s i g n e du s i n g o r t h o g o n a lm e t h o d i na d d i t i o n ，t h e2 dt e m p e r a t u r ef i e l d ，v e l o c i t yf i e l da n dp r e s s u r e f i e l dw e r es i m u l a t e db yf l u e n ts o f t w a r e ，a n dt h ee f f e c to fi n l e tt e m p e r a t u r ea n di n l e t p r e s s u r ew e r es t u d i e d m o r e o v e r ，t h ec a b i n e t s3 dt e m p e r a t u r ef i e l da n dv e l o c i t yf i e l di s a l s os i m u l a t e db yf l u e n ts o f t w a r ew h e nv o r t e xt u b ew a su s e dt oc o o lt h ec a b i n e t ，a n d t h i sv o r t e xt u b ec o o l e dm e t h o dw a sc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lw a t e r c o o l e dm e t h o d f i n a l l y ，t h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yo fv o r t e xt u b e sa p p l i c a t i o nw e r ei n t r o d u c e dt ot h e p r e s s u r e r e g u l a t i n gs y s t e mo f n a t u r a lg a sa sw e l la st h ec o o l i n go fe l e c t r o n i ce q u i p m e n t o nt h eb a s i so f a n a l y z i n gt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g ya b r o a dw i d e l y l iw e i ( m e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i uy a n p i n g k e yw o r d s ：v o r t e xt u b e ，n o z z l e so p t i m i z i n ge x p e r i m e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， p r e s s u r e r e g u l a t i n gs y s t e mo fn a t u r a lg a s ，c o o l i n g 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文涡流管数值模拟及其应用研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：查 三整 日期：业 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： 日 期：一主! 皇垦 日 期： 华北电力大学硕十学位论文 第一章绪论 涡流管是一种结构简单的能量分离装置，在有压力差的情况下，能够把气流分 离成冷、热两股气流。气流在涡流管内高速旋转时，处于中心部位的气流温度低， 而处于外层部位的气流温度高，这就是所谓的“涡流效应 。涡流管具有制冷、制 热、抽真空、分离等多种功能。另外还具有以下优点：结构简单、占用空间小；无 运动部件、免维护、寿命长；不用氟利昂或其他化学冷媒，无需用电；操作方便， 运行安全可靠；造价低廉。由于同时具有以上多种功能和优点，涡流管有着广阔的 应用前景，开展涡流管的研究具有广泛而重要的意义。本章对涡流管已有的研究成 果进行系统地综述，并提出本文的主要工作内容。 1 1 涡流管研究的历史背景 涡流管的历史可追溯到1 9 3 0 年，当时法国的冶金工程师兰克( r a n q u e ) 发现 了旋风分离器中的涡流冷却效应，即旋风分离器中气流的中心温度和周边各层的温 度不同，中心具有较低的温度，而外缘具有较高的温度。1 9 3 1 年，兰克发表了首篇 关于涡流管的论文，并于同年在法国申请了专利，1 9 3 2 年他又在美国申请了同样的 专利，并在1 9 3 4 年获得批准。但是，涡流管制冷器并没有被认为是一种可行的装 置为科学家们接受。1 9 3 3 年兰克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。由于兰克对分离现象的解释混淆了流体总温( 滞止温度) 与静温的概念，因而受到了与会者的质疑甚至反对，会议上对涡流管制冷现象的普 遍否定，就这样使涡流管的研究被搁置了十多年之久。 直到1 9 4 6 年，物理学家赫尔胥( h i l s c h ) 【2 】发表了关于涡流管的一篇综述性文 章。他对涡流管进行了系统研究：发现最大冷端温降随压力的增加而增加；在压力 比一定的情况下，直径大的涡流管比直径小的涡流管效率高；壁面应光滑且为圆柱 形；种螺旋型的涡流室可以改进涡流管的性能。他研究了三种尺寸的涡流管，确 定了涡流管各部件几何尺寸的最佳比例关系：喷嘴入口直径应等o 2 5 d ；冷端孔板 应尽可能接近喷嘴，并且孔口直径应等于0 4 5 - - 0 4 6 d ；调节阀和喷嘴的距离是5 0 d 。 他用这样的涡流管进行试验，结果优于兰克的试验。他还讨论了涡流管的效率，并 指出由于涡流管的效率很低，它的应用将受到限制。 鉴于兰克和赫尔胥在发现涡流管温度分离效应上的贡献，该效应被称为兰克效 应或赫尔胥效应，而涡流管也被称为兰克管或赫尔胥管。 华北电力大学硕士学位论文 目前，世界上许多国家特别是法国、德国、加拿大、日本、美国、英国等发达 国家的科研机构、大学和许多公司对涡流管进行了大量的实验研究和理论方面的研 究工作。涡流管在许多工业部门已得到应用，并有一些从事生产涡流管的专门厂家， 如美国的v o r t e c 公司、e x a i r 公司和t r a n s o n i c 公司等。 我国涡流管的研究开展较晚，从8 0 年代开始先后有西安交通大学1 3 , 4 ：大连理 工大学【5 1 、上海交通大学【6 ，7 1 、华南理工大学【8 1 和北京工业大学 9 , 1 0 】等大学和科研机 构对涡流管进行了一些相关的研究。关于涡流管的文章、论文和专利1 1 卜1 9 】也有了一 些，大多都是对涡流管的特性进行实验研究和应用研究，也有对涡流管理论进行一 些探索。但总的来说，国内对涡流管技术的研究相对落后，目前还仅限于实验研究 涡流管整体性能的水平，没有自己完整的理论体系，实用化更是空白。 1 2 涡流管的研究进展以及亟需解决的问题 自从涡流管发现以来，很多学者对这种奇妙的能量分离现象进行了大量的科学 实验和理论研究，总结起来对涡流管的研究和探讨可以归纳为以下几个方面： ( 1 ) 涡流管结构的研究。 h i l s c h 是以几何尺寸为基础来研究涡流管性能的奠基人，后来的许多研究者所 采用的涡流管大都基于h i l s c h 所推荐的几何比例关系。p a r u l e k e r t 2 0 】设计出了短涡流 管，通过改变涡流管内径锥度的方法，他可以把长径比缩短到3 以内。他的研究表 明，粗糙度对涡流管的效应有一定的影响，喷嘴出口处涡流室的内部形状以阿基米 德螺线为最好，喷嘴的出口横截面以矩形截面为好。m a r l y o n v s k i i 和a l e k s e s e e v l 2 i j 为了寻求几何尺寸最佳值，对各种喷嘴进行了研究，同时针对涡流管进气喷嘴的角 度对涡流管性能的影响也作了研究。他发现，涡流管的性能随着切向角度的降低而 减弱，喷嘴角度在4 5 。以下涡流管的总温分离效应几乎消失，各种角度下的温度、 压力和速度曲线具有相同变化特征。影响涡流管性能的设计变量有1 5 个以上，并 且这些变量之间的关系未知。要解决这些变量的优化问题，需要花费许多时间和很 大代价。s o n i 和t h o m o s o n 【2 2 】在减少设计变量的情况下，用调优计算方法改变设计 参数，得到了因变量的最佳值。 ( 2 ) 用不同的介质来研究介质的物性对涡流管能量分离性能的影响。 c o l l i n s 和l o v e i a c e 2 3 】用两相丙烷做介质对涡流管实验得知：当进气流变为饱 和混合态时，温度分离效果将变坏，他指出当进气干度少于8 0 时，温度分离变坏 主要表现在热端温度的大幅度降低。当进气干度超过8 0 时，比较显著的温度分离 效应将会保持。b a l m e n 2 4 】用水做介质对涡流管进行实验，实验结果表明，涡流管内 温度分离现象不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 2 华北电力大学硕士学位论文 离。m a r s h a l l t 2 5 】用几种不同的混合气体和不同尺寸的涡流管作实验，得出混合气体 也有能量分离效应。他的研究表明存在一临界入口r e y n o l d s 数对应于最大温度分离 效应。w i l l i a m s 2 6 】也对各种混合工质对涡流管性能的影响进行了研究。m a r l y o n v s k i i 和a l e k s e s e e v 2 7 】在实测研究中，用氨、甲烷和二氧化碳进行实验。在实验中发现了 一个有趣的重要现象，即在湍流p r i i r ；彩茹” 窆i 登 2 2 涡流管能量分离机理的各种解释 图2 - 2 涡流室剖面图 尽管涡流管在结构和操作上非常简单，但管内发生的能量交换过程却极其复 杂。由于内摩擦的结果，传热过程是不可逆的，一般认为管内进行的是三维可压缩 湍流流动。因此，至今仍难以给出能够精确预测涡流管性能的数学模型。对涡流管 效应的解释亦是众说纷纭，至今未有一种令人非常满意的解释，仍有许多说不清之 处，甚至有些观点还相互矛盾。对于涡流管能量分离机理的解释有许多，下面将简 单介绍各种涡流管能量分离机理的解释，并加以分析和阐述： ( 1 ) 动能传递理论 华北电力大学硕士学位论文 f u l t o n 3 3 , 3 4 1 提出：高压气体经喷嘴膨胀后，几乎以自由涡流形式进入涡流室。 在涡流室内，气流的边界角速度小，但近中心点角速度大，由于惯性力，最终要使 所有气流的角速度相等，因此气流在向前流动的过程中，内层气流速度逐渐降低， 外层气流速度则逐渐增大。即功从内层传向外层，内层气流膨胀做功，温度降低， 外层气流的温度则开始升高。与此同时，热量也向内层中心传递，但比功的传递来 的慢，外层气流获得的动能比其失去的热能多，且这些动能在热气管中由于摩擦最 终转化为内能，使外层气流温度不断升高。 ( 2 ) 热传递理论 s c h e p e r 3 5 1 和g u l y a e t l 3 6 】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 提高。在内层回流气体中，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，由此导致能量由内层传入外层。然而，有许多研究者 的数据表明，壁面的静温比内层的静温高，而且从现有理论来看，热量从冷气流以 热传递方式传递热气流似乎是不可能的。 ( 3 ) 绝热降温理论 h i n i z e 3 7 】认为由于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。在气体的旋流方向，其压力逐渐降低过程其实是绝热膨胀降温过程。这种理论 的缺陷在于，由于轴心区域粘性的存在，径向温度并非沿绝热线变化，按照现在的 实验结果同理论的理想值偏差较大。 ( 4 ) 声流理论 不同于其他研究者的理论，e c k e r t 3 8 】将压力与波联系起来，根据涡流管发出的 声音分析判断，认为涡流管内的气流总具有波动特性。当声强提高时，能量分离变 大。他提出能量分离主要由作用于脉动波形流线上的压力引起，同时粘性力起着辅 助作用。声流理论是现在比较被认可的一种理论，但如何将声流同涡流管的热力参 数联系起来，这种理论现在还很难做到。 ( 5 ) 二次流热泵理论 a h b o r n 3 9 】通过对涡流管内流场的实验测定，他发现涡流管中有二次流的产生。 因为涡流管制冷非常类似热泵方式，要想产生制冷量，必须存在一个制冷循环，为 此应提供膨胀与压缩过程，以及相应的进排气过程，而上述各过程应一个接一个的 连续进行。所以a h b o r n 以二次流为基础，利用热泵制冷机理对涡流管中的各个过 程进行描述，十分形象得把涡流管各个过程分解为压缩过程、冷凝过程、膨胀过程 和蒸发过程，并给出了涡流管制冷效应和制热效应随进口参数、工质种类和物性参 数之间的一定关系。二次流热泵理论可以使人们很容易的理解涡流管内部能量的转 移和分布，但整个理论解释过程缺乏可信性。 6 华北电力大学硕士学位论文 ( 7 ) 能量逆转理论 我国高歌和吕正林【4 0 】利用在湍流理论上的研究成果，对能量逆转和涡流管能量 分离效应进行解释，他们认为涡流在涡流管近壁流动、r a n k i n e 涡核心外缘区域流 动及壁面射流等速度剖面具有急剧变化的剪切流动中，能量逆转将会发生。而涡流 管的总温分离效应是由于能量逆转导致了涡流管内流动能量向壁面集中而造成的， 在具体的物理过程上，是科氏力作用的结果。 虽然对于涡流管装置内能量分离机理的解释有不少，但有几个基本观点则已经 被一致确认，并被广大学者所接受，这几个观点是： ( 1 ) 涡流管内气体回流的原因是热端调节阀与冷端冷孔板之间的压力差； ( 2 ) 在滞止点处开始出现回流； ( 3 ) 高速气流在外层形成自由涡旋，而在内层形成强制涡旋； ( 4 ) 在滞止点处，外层气流的总温远比内层气流的总温高； ( 5 ) 冷气流的静温，在轴心处最低，而在内层气流的界面达到最高【4 1 1 。 2 3 从能量基本方程分析能量分离内因 虽然涡流管能量分离效应的特点看似简单，但管内发生的能量交换过程却是极 其复杂，管内进行的是三维可压缩湍流流动，因此，其机理长期得不到正确解释。 作者认为要想解释涡流管能量分离的原因，必须首先要从能量基本方程着手，才能 发现产生能量分离的内因。e c k e r t 和g o l d s t e i n 和我国的颜幼平【4 2 l 都曾对能量分离的 机理进行分析，但由于他们针对的是不同问题，分析方法不同。本文在此基础上， 针对涡流管特定情况，对涡流管的能量分离机理进行进一步的分析和阐述。 考虑总能量守恒方程m 】： p 等：耋p 扩导p ) + 要( 七要) + 尚 ( 2 1 ) “z 吼w f 吼f叭f 式中：p 为密度；t 为时间；嘶为速度分量；e d 为总内能；p 为压力；p j f 为应力 张量：k 为热传导系数；无为静止温度；g 为重力加速度。 式( 2 1 ) 中各项的物理意义是十分明显的。等式左边代表单位体积总内能的随 机导数；右边第一项和第二项代表单位体积内应力所做的功：第三项代表单位体积 内由于热传导传入的热量；最后一项是单位体积内质量力所做的功，这里质量力为 重力。 由总焙定义式可知 p 。： 。一旦 p 7 ( 2 2 ) 华北电力大学硕士学位论文 因此，可得 d e 。d h 。d p 。pd p p i 2 夕百一i + 石石 而由连续性方程可得 一d p ：一p 堕 d t 瓠； 式( 2 - 3 ) 变化可得 p 等= 矿警告一岳“p ，p 百2 矿百一言一面眠p ， 将式( 2 - 6 ) 代入式( 2 - 1 ) ，司得 p 警= 詈+ 丢c 咋办，+ 丢c 七鼍，+ ，舒 所以，对于定比热，忽略重力影响的总温正可以表示为 肛，等= 争毒c 哪，+ 毒c 七鼍， daa 而：d t 0 t 啦 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 从式( 2 8 ) 表明，引起总温( 也是总能量) 发生变化有三个主要因素： 鱼 ( 1 ) 压力场的不定常性：街 ( “f p f ) ( 2 ) 作用在微团边界上的粘性应力做的功： 。 - 兰- - ( k 刍 ( 3 ) 由于热传递产生的能量转移：”r 徼， 综上分析可以得到：涡流效应中的能量分离是由压力不定常性、粘性和流体间 的热量传递共同作用所引起的。在涡流管中压力不定常性体现于有序波动涡啸 声，在很多实验过程中都提到涡流管制冷过程中会伴有噬噬的涡啸声。所以涡流效 应既源于不定常性，又形成定常有序的变化【4 4 1 。 8 钆一魄 p 一 望魄 坼 印一玉坐出 d = 丝出 或 华北电力大学硕士学位论文 第三章涡流管喷嘴优化实验系统设计 效率低一直是制约涡流管广泛应用的最主要因素，因此进一步优化涡流管的结 构，以提高它的能量分离效率是涡流管研究的重要方面。影响涡流管性能的设计变 量很多，且这些变量之间的关系未知，要解决这些变量的优化问题，仅仅依靠理论 计算是达不到的，实验研究仍是涡流管研究的主要手段。通过对涡流管性能的测试， 可以获得涡流管性能参数与涡流管结构、尺寸等参数之间的相互影响关系，从而得 到涡流管参数的最佳组合。 喷嘴是涡流管能量转换的第一场所，也是涡流管中将压力能转变为速度能，并 使气流产生旋转的主要场所。因此可以说喷嘴是涡流管的重要元件，在很大程度上 决定着涡流管的性能。本章作者自行设计了涡流管喷嘴优化的实验系统。由于没有 实验条件，仅将实验台搭建的设想和实验方法、流程等描述如下。 3 1 实验装置 实验装置系统如图3 1 ，压缩机产生的高压空气首先通过储气过滤器，这样可 以减轻压缩气体的振荡，同时也去除其中的油滴、水滴等杂质，然后再通过恒温水 槽以保持涡流管进口压缩气体的温度恒定，最后进入涡流管入1 3 ，在涡流管内发生 涡流效应分离为冷、热两股气流。另外在还要安装旁路阀门，维持系统气流的稳定。 在涡流管进口处、冷端及热端出口处分别进行压力p 和温度t 的测量，压力用高精 度压力表测量，温度用标准铠装热电偶测量。由于还要测定冷流率( 冷端质量流量 a 口质量流量) ，因此还需选用金属浮子流量计测量涡流管进口及冷、热端流量1 4 5 。 图3 1 涡流管实验装置图 9 华北电力大学硕十学位论文 3 2 实验方法与步骤 喷嘴是涡流管各组成部分中相对来说结构最为复杂的一部分，图3 2 为涡流管 喷嘴及涡流室结构示意图。喷嘴的几何参数可分为：喷嘴数目n ，喷嘴流道形式， 喷嘴截面形状三类。在每一组几何参数里可进行数种改变。喷嘴数目n 可以分别取 4 ，6 ，8 ，图3 2 中即为6 个喷嘴的情况；喷嘴流道形式包括直流型、渐缩型和渐扩 型，图3 2 所示即为直流型，渐缩型和渐扩型分别如图3 3 ，3 4 所示；常规的喷嘴 截面形状包括矩形( 图3 2 ) 和阿基米德螺旋线形( 图3 5 ) ，另外还有一种是北京 工业大学根据气体的流动特性，采用等马赫数自行设计的截面形状。 图3 2 涡流管喷嘴及涡流室结构示意图 图3 3 渐缩型喷嘴流道形式图3 - 4 渐扩型喷嘴流道形式 图3 5 阿基米德螺旋线形喷嘴截面形状 也就是说，喷嘴的几何参数包括喷嘴数目n ，喷嘴流道形式，喷嘴截面形状三 l o 华北电力大学硕士学位论文 类因素，每个因素又都有3 个不同的变化值，称之为三个水平。如表3 1 所示。 表3 1 因素水甲表 因素 abc 承尹 喷嘴数目n喷嘴流道形式喷嘴截面形状 i 4 ( a 1 )直流型( b 1 ) 矩形( c o i i6c a 2 ) 渐缩型( b 2 )阿基米德螺旋线形( c 2 ) i 8 ( a 3 )渐扩型( b 3 )：t t , i 大设计线性( c 3 ) 三个因素三个水平，各种不同的水平搭配就可以产生2 7 种不同喷嘴形状的涡 流管，如果把这2 7 种不同的涡流管都生产出来并逐个进行实验，就需要很多时间， 花费不少的人力物力。现在希望从这2 7 种不同的工艺中选出一小部分来进行实验， 使这一小部分具有比较好的“代表性 ，他们确实能反应出2 7 种不同喷嘴形状的 涡流管的重要差别。正交设计法刚好就能实现上述功能。这里可用代号是l 9 【4 6 】的正 交表来安排实验。如表3 2 所示。 表3 - 2l 9 ( 3 4 ) i e 交表 列号 l234 实验号 1l ll1 2l222 3l33 3 4 2123 52 231 62312 73l32 832l 3 9332l 将三个因素依次放在表3 2 的三个列上，就得到了表3 3 所示的涡流管喷嘴结 构优化的实验方案。由于第四列没有因素，可以直接删去。实验时按此方案顺序对 涡流管喷嘴的各个参数结构进行组装，依次进行实验研究。 冷端温降数值大小是表征涡流管能量分离效应强弱程度的一个重要指标，不同 冷气流率时所对应的冷端温降值不同，在此实验中，设冷流率= o 4 为定值( 因为很 多实验研究都表明在冷流率为o 4 左右时，可以得到冷端最低温度) ，在此条件下 测得的冷端温降作为整个正交实验设计方案的实验指标，将实验结果分别记录在表 华北电力大学硕士学位论文 3 - 3 的第四列。 表3 3 涡流管喷嘴结构优化实验方案 实验指标 因素 abc 冷端温降a t e 实验号喷嘴数目n喷嘴流道形式喷嘴截面形状 ( 。c ) 1 4 ( a 1 )直流型( b 1 )矩形( c 1 ) 2 4 ( a 1 )渐缩型( b 2 )阿基米德螺旋线形( c 2 ) 3 4 ( a 1 )渐扩型( b 3 )北工大设计线性( c 3 ) 4 6 ( a 2 ) 直流型( b 1 ) 矩形( c 1 ) 5 6 ( a 2 )渐缩型( b 2 )北工大设计线性( c 3 ) 6 6 ( a 2 )渐扩型( b 3 )阿基米德螺旋线形( c 2 ) 7 8 ( a 3 )直流型( b 1 )北工大设计线性( c 3 ) 8 8 ( a 3 )渐缩型( b 2 )阿基米德螺旋线形( c 2 ) 9 8 ( a 3 )渐扩型f b 3 )矩形f c l ) 从表3 3 看出，这样选出的9 个实验具有均衡搭配的特点，体现在如下两点： ( 1 ) 喷嘴数目n 的三个水平4 ，6 ，8 各出现三次，喷嘴流道形式的三个水平和喷嘴截 面形状的三个水平也同样都各出现三次；( 2 ) 每两个因素问，各种水平搭配出现的次 数是一样的，例如看表3 3 的a ，b 两列，喷嘴数目n 和喷嘴流道形式共有3 x 3 = 9 种不同的搭配，正好在1 到9 号实验里依次出现。其它任意两因素间存在相同规律。 3 3 实验结果分析处理 正交试验设计方法处理试验结果的目的在于确定试验因素的主次、各试验因素 的优水平及试验范围内的最优组合。为了圆满达到上述目的，采用极差分析法【4 7 1 。 依据正交表的综合可比性，利用极差分析法可以非常直观简便地分析试验结果，确 定因素的主次和最优组合。极差分析法主要是计算及判断，计算内容如表3 4 所示。 表3 4 极差分析计算 因素 abc 水平 i i ai b i c i ii iai ibi ic i i i i abi c 极差rr a rb r c 1 2 华北电力大学硕士学位论文 表中i a 为a 因素i 水平所对应的实验指标之和( 在本实验中实验指标为冷端温 降) ，查阅表3 3 涡流管喷嘴结构优化实验方案可知，也即1 ，2 ，3 号实验的三个 实验指标的和。同理，i ib 为b 因素i i 水平所对应的冷端温降之和，查阅表3 3 可 知，也即2 ，5 ，8 号实验的三个实验指标的和。同理可推知表3 4 中i b ，i c ，i i a ， i ic ，i i i a ，i i i a ，i i i c 的计算方法。 表中r a 为a 因素的极差，也即i a ，i ia ，i i i a 之间最大值与最小值之差。同理， r b 和r c 分别为b 因素和c 因素的极差。 将表3 4 填完，极差分析法的计算部分就已完毕，下面进行分析判断。 ( 1 ) 各因素对指标影响的重要性比较 极差的大小代表了该因素变化对指标值的影响程度。因此，可从极差的大小顺 序得出各因素对指标值影响大小的相应顺序。也即喷嘴数目，喷嘴流道形式，喷嘴 截面形状各因素分别对涡流管性能影响力的大小。例如，如果r a r b r c ，则可认 为喷嘴数目n 的因素对指标值的影响最大，而喷嘴截面形状的因素影响最小。 ( 2 ) 因素各水平的比较 在本实验中要求指标值即冷端温降越大越好，因此查阅表3 3 最后一列冷端温 降数据，最大的那个数据所对应的一行的各因素的水平则分别为各因素的最优水 平。例如：如果实验5 得到的冷端温降数值最大，则该行所对应的a 2 8 2 c 3 分别为各 因素的为最优水平，也即6 个喷嘴、渐缩型、北工大设计线形分别为喷嘴数目n 、 喷嘴流道形式、喷嘴截面形状三个因素的最优水平。 ( 3 ) 因素的最佳组合 在实际选取因素水平时，对于主要因素，要按照使指标值最好的要求选取其水 平，而对于次要的因子，则根据节约、方便的原则进行水平选择。例如：假使实验 得出的因素重要性排序为：喷嘴数目 喷嘴流道形式 喷嘴截面形状，即喷嘴截面形 状是相对最不重要的因素，又考虑到涡流管喷嘴截面形状加工成阿基米德螺旋线形 或北工大设计线性都较为困难，则可以灵活的选取较为简单的矩形。 另外需注意，各因素的最佳组合有可能不包含在已做过的实验中。例如：若按 上面所假设的各因素重要性和加工难易程度综合考虑，则各因素最佳组合为6 个喷 嘴，喷嘴流道形式为渐缩型，喷嘴截面形状为矩形，这种组合是并不包含在方案中 的9 个实验中的。由此可见，正交法确实是用最少的组合代表了全部因素在不同水 平下的全部组合。 总之，作者采用正交试验方法设计的涡流管喷嘴优化的实验方案可以用最少的 实验次数，得到最全面的实验数据。结合极差分析法，可以确定喷嘴各个结构参数 的主次和最优水平，以及涡流管达到最佳制冷效果时各个参数水平的最优组合。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 第四章运用f l u e n t 软件对涡流管进行数值模拟 对涡流管的研究，一般采取实验的传统方式。做实验有着直观和可靠的优点， 但是要消耗大量的人力、物力和财力，而且涡流管内部的温度场和速度场等也很难 通过实验测定。而运用c f d 软件包f 1 u e n t 有限元分析软件就可以有效的解决以 上问题。本章首先对c f d 以及f l u e n t 软件进行了概述。然后建立了涡流管的数学 模型，并利用f l u e n t 对其内部温度场、压力场和速度场进行了数值模拟，探讨了哪 些因素会对能量分离的效果产生影响。最后还模拟了涡流管应用于屏柜散热时屏柜 内温度场和速度场的分布情况，研究了入口速度对散热情况的影响，并与传统的水 冷散热方式做了对比。 4 1 计算流体动力学及f l u e n t 软件概述 4 1 1 计算流体动力学( c f d ) 概述 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是通过计算机数 值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分 析。c f d 的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场， 如速度场和压力场，用一系列有限离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原 则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方 程组获得场变量的近似值。c f d 可以看作是在流动基本方程控制下对流动的数值模 拟。通过这种数值模拟，可以得到复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量( 如 速度、压力、温度等) 的分布，以及这些物理量随时间的变化情况。 研究流体流动问题的传统方法包括：理论分析方法和实验测量方法。理论分析 方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是指导实验研究和 验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往往要求对计算对象进行抽象和简化， 才有可能得出理论解。对于比较复杂的非线性情况，只有少数流动才能给出解析结 果，其应用范围是有限的。实验测量方法所得到的实验结果真实可信，它是理论分 析和数值方法的基础，其重要性不容低估。然而，实验往往受到模型尺寸、流场扰 动、人身安全和测量精度的限制，有时可能很难通过试验方法得到结果。此外，实 验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。 而c f d 方法恰好克服了前面两种方法的弱点，在计算机上实现一个特定的计 1 4 华北电力大学硕士学位论文 算，就好像在计算机上做一次物理实验。c f d 方法与传统的理论分析方法、实验测 量方法组成了研究流体流动问题的完整体系。 c f d 的优点是适应性强、应用面广： ( 1 ) 流动问题的控制方程一般是非线性的，自变量多，计算域的几何形状和边界 条件复杂，很难求得解析解，而用c f d 方法则有可能找出满足工程需要的数值解。 ( 2 ) 可利用计算机进行各种数值试验。例如，选择不同流动参数进行物理方程中 各项有效性和敏感性试验，从而进行方案比较。 ( 3 ) 它不受物理模型和实验模型的限制，省钱省时，具有较高的灵活性，能给出 详细和完整的资料，很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件和实验中 只能接近而无法达到的理想条件。 c f d 同时也具有一定的缺陷： ( 1 ) 数值解法是一种离散近似的计算方法，依赖于物理上合理、数学上适用、适 合于在计算机上进行计算的有限数学模型，且最终结果不能提供任何形式的解析表 达式，只是有限个离散点上的数值解，并有一定的计算误差。 ( 2 ) 它不像物理模型实验一开始就能给出流动现象并定性地描述，往往需要由原 物体观测或物理模型试验提供某些流动参数，并需要对建立的数学模型进行验证。 ( 3 ) 程序的编制及资料的收集、整理与正确利用，在很大程度上依赖于经验与技 巧。当然，有些缺点或局限性可通过某种方式克服或弥补。 4 1 2f l u e n t 数值计算软件包介绍 f l u e n t 是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序，是目 前国际上比较流行的商用c f d 软件包。其离散方法采用了有限体积法，其结构主要 分为三个部分： ( 1 ) 前置处理器g a m b i t g a m b i t 具有完整的建模能力。它拥有自己的绘图器，可以完成复杂外形的二 维三维建模，并提供了强大的布尔代数运算功能，能够准确模拟出分析对象的几何 外形。由于g a m b i t 需要非常准确的建立模型，因此，对于模型建立的质量要求很 苛刻，实际中，要针对实际问题的模型须进行必要的简化，以达到分析目的为目标， 忽略一些结构条件，这样，有利于提高分析计算效率。g a m b i t 还提供了功能强大， 灵活易用的网格划分工具，可以划分出满足c f d 特殊需要的网格。它强大的网格生 成能力体现在：完全非结构化的网格能力、网格的自适应技术以及混合网格与附面 层的网格功能三个方面。 ( 2 ) 计算求解器 f l u e n t 软件采用有限体积方法，并提供了s e g r e g a t e ds o l v e r ， 1 5 华北电力大学硕士学位论文 c o u p l e de x p l i c i ts o l v e r 和c o u p l e di m p l i c i ts o l v e r 三种数值算法。 s e g r e g a t e ds o l v e r 适用范围为不可压缩流动和中等可压缩流动。这种算法不 对n a v i e r s t o k e s 方程联立求解，而是对动量方程进行压力修正。该算法是一种很成 熟的算法，在应用上经过了广泛的验证。c o u p l e de x p l i c i ts o l v e r 主要用来 求解可压缩流动。该方法对整个n a v i e r s t o k e s 方程组联立求解，空间离散采用通量 差分分裂格式，时间离散采用多步r u n g e k u t t a 格式。该算法稳定性好，内存 占用小，应用极为广泛。c o u p l e di m p l i c i ts o l v e r 算法是其它所有商用c f d 软件都不具备的。该算法也对n a v i e r s t o k e s 方程组进行联立求解，计算精度与收敛 性要优于c o u p l e de x p l i c i t 方法，但却占用较多的内存。该算法另一个突出的 优点是可以求解全速度范围。 ( 3 ) 后置处理器 f l u e n t 具有强大的后置处理功能，能够完成c f d 计算所要求的功能，包括速 度矢量图、等值线图、等值面图、流动轨迹图、并具有积分功能，可以求得模型所 受到力、力矩、流量等【4 引。 4 2 涡流管仿真模拟及结果分析 4 2 1 涡流管几何模型 对涡流管进行数值模拟，必须要有实验数据同模拟结果进行验证。因为在此没 有实验条件，因