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涡流管能量分离效应的理论与试验研究

周少伟  
【摘要】: 涡流管是一种能够将压缩空气同时分离出冷热气流的新型能量分离装置,由于其结构简单、无运动部件、操作方便、运行可靠、免维护等一系列优点,同时又具有制冷、制热、分离、抽真空等多方面功能,在科学研究及工业等诸多领域得到愈来愈广泛的应用。尽管涡流管结构极为简单,但是发生在管内的能量分离效应却极其复杂,至今没有一种精确的理论能够从本质上解释其现象。涡流管问世以来,涡流管及其相关效应的理论价值和巨大应用潜力,一直是国内外专家研究的热点。 利用热力学第一、第二定律,得到了涡流管入口温度、冷热气流出口温度、制冷效应、制热效应及冷气流率之间的关系式,并推导出涡流管能量分离过程的熵增模型;结合涡流管内气流的实际运行特点,分析柱坐标系下可压缩气流湍流运动状态时的总能量方程,揭示出涡流管能量分离效应的物理机制,即涡流管内可压缩气体发生的能量分离效应主要由三个因素引起的: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。 利用正交试验优化设计方法,研究了喷嘴数目、分离孔板直径、涡流管长度和调节阀角度对涡流管最大制冷效应的影响,得到了最优化的涡流管尺寸参数。考虑到入口压力和冷气流率两个特定因素对涡流管能量分离性能的重要影响,以此最优化尺寸参数涡流管为研究对象,系统的研究了涡流管制冷效应、单位制冷量和制冷效率随入口压力与冷气流率两个特定因素的变化规律,并以试验数据为依据,给出了相应的经验方程。 在保持喷嘴数目、分离孔板直径、涡流管长度和热端调节阀角度中任意三个量不变的条件下,通过不断的改变另一个变量,系统的研究了这四个主要尺寸参数对涡流管制冷效应、单位制冷量和制冷效率的影响。通过对涡流管的无量纲熵产数和火用效率进行分析,得出了可压缩气体经过涡流管发生能量分离过程后,所产生的不可逆损失程度相当大的结论。 设计涡流管内流场、温度场测试方案,不仅研究了涡流管不同轴向、径向位置处的总压、静压、总速、切速、轴速和温度的分布规律,而且也研究了入口压力与冷气流率两个特定因素对涡流管内各个参数沿径向分布的影响变化关系。结果表明:所采用的三孔探针和所研制的测温热电偶能够满足试验要求,试验结果很好地反映涡流管内的流场、温度场分布规律,从而为进一步深入研究涡流管的能量分离机理创造了条件。 利用CFD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。为了验证数值模拟结果的准确性,将模拟结果与试验值相比较,二者吻合较好。同时采用无量纲的分析方法将模拟结果与前人的实测结果加以比较,进一步验证了结果的准确性。利用经过试验验证的数值模拟方法,可以据此揭示涡流管能量分离效应的本质规律。


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