渦流管能量分離效應的理論與試驗研究.pdf

1、渦流管是一種能夠將壓縮空氣同時分離出冷熱氣流的新型能量分離裝置，由于其結構簡單、無運動部件、操作方便、運行可靠、免維護等一系列優(yōu)點，同時又具有制冷、制熱、分離、抽真空等多方面功能，在科學研究及工業(yè)等諸多領域得到愈來愈廣泛的應用。盡管渦流管結構極為簡單，但是發(fā)生在管內的能量分離效應卻極其復雜，至今沒有一種精確的理論能夠從本質上解釋其現象。渦流管問世以來，渦流管及其相關效應的理論價值和巨大應用潛力，一直是國內外專家研究的熱點。 利用

2、熱力學第一、第二定律，得到了渦流管入口溫度、冷熱氣流出口溫度、制冷效應、制熱效應及冷氣流率之間的關系式，并推導出渦流管能量分離過程的熵增模型；結合渦流管內氣流的實際運行特點，分析柱坐標系下可壓縮氣流湍流運動狀態(tài)時的總能量方程，揭示出渦流管能量分離效應的物理機制，即渦流管內可壓縮氣體發(fā)生的能量分離效應主要由三個因素引起的：徑向湍流脈動引起的熱流通量、湍流軸向剪切應力功和湍流切向剪切應力功。 利用正交試驗優(yōu)化設計方法，研究了噴嘴數目

3、、分離孔板直徑、渦流管長度和調節(jié)閥角度對渦流管最大制冷效應的影響，得到了最優(yōu)化的渦流管尺寸參數?？紤]到入口壓力和冷氣流率兩個特定因素對渦流管能量分離性能的重要影響，以此最優(yōu)化尺寸參數渦流管為研究對象，系統(tǒng)的研究了渦流管制冷效應、單位制冷量和制冷效率隨入口壓力與冷氣流率兩個特定因素的變化規(guī)律，并以試驗數據為依據，給出了相應的經驗方程。 在保持噴嘴數目、分離孔板直徑、渦流管長度和熱端調節(jié)閥角度中任意三個量不變的條件下，通過不斷的改變

4、另一個變量，系統(tǒng)的研究了這四個主要尺寸參數對渦流管制冷效應、單位制冷量和制冷效率的影響。通過對渦流管的無量綱熵產數和火用效率進行分析，得出了可壓縮氣體經過渦流管發(fā)生能量分離過程后，所產生的不可逆損失程度相當大的結論。設計渦流管內流場、溫度場測試方案，不僅研究了渦流管不同軸向、徑向位置處的總壓、靜壓、總速、切速、軸速和溫度的分布規(guī)律，而且也研究了入口壓力與冷氣流率兩個特定因素對渦流管內各個參數沿徑向分布的影響變化關系。結果表明：所采用的三

5、孔探針和所研制的測溫熱電偶能夠滿足試驗要求，試驗結果很好地反映渦流管內的流場、溫度場分布規(guī)律，從而為進一步深入研究渦流管的能量分離機理創(chuàng)造了條件。 利用CFD數值模擬技術對渦流管內三維可壓縮強旋流氣體的流動和換熱過程進行數值模擬，清晰地勾勒出渦流管內三維流場的全景式“圖畫”，獲得了管內的溫度分布規(guī)律。為了驗證數值模擬結果的準確性，將模擬結果與試驗值相比較，二者吻合較好。同時采用無量綱的分析方法將模擬結果與前人的實測結果加以比較，