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涡流管内可压缩气体三维流场研究

王朋涛  
【摘要】:涡流管是一种新型的能量分离装置,有着广泛的应用前景。尽管涡流管结构十分简单,但涡流管内能量分离物理机制极其复杂,研究者至今尚未达成共识。涡流管内能量分离过程与工质的运动密切相关,管内可压缩气体流动是涡流管能量分离的根本原因与驱动力。因而获得涡流管内的流场特性和三维的速度分布是研究涡流管能量分离物理机制的首要问题和关键问题。 本文以涡流管内可压缩气体三维强旋转湍流流场为研究对象,采用数学分析和数值模拟方法对涡流管内流场结构进行研究。对涡流管流场研究中传统实验测量方法进行了综述和评论;从自由涡运动方程出发,推导出管内流场的势函数和流函数方程,获得了管内流场的数学分析解;以H.H.Bruun实验测试的涡流管为几何模型,确定了适合涡流管流场模拟的分区网格划分方法、RNGκ-ε湍流模型和二阶迎风离散格式。 利用CFD软件Fluent对涡流内流场进行数值模拟,获得了切向速度、轴向速度和径向速度的分布及流线形态。切向速度分布符合强制涡—准自由涡模型,涡强度随进口压力的提高而增大,涡的对称性随进气道数目的增加而优化。管内流场中存在轴向零速度面,其位置随冷气流率μ的减小向冷端出口方向移动。径向速度在数量级上远小于其它二维速度,且仅在涡流室内发生剧烈变化。涡流管内三维流线形态类似阿基米德曲线。 涡流管内流场可归结为三种基本运动形态和两个重要特征。内旋流、外旋流和循环流构成管内气体的三种基本运动形态,而轴向零速度面和短路流是流场的两个重要特征。


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