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小流量涡流管特性的理论与实验研究

曹勇  
【摘要】:涡流管是一种能够把压缩气体分离为冷热两股温度不同气流的简单装置。由于涡流管装置具有结构简单、工作稳定可靠、易于维修、无运动部件且温度变化范围大等优点,已被应用到许多领域。采用小流量涡流管在某些特定的制冷领域内有很大的应用前景。但是,到目前为止,对涡流管的研究基本都集中在它的常温特性方面,关于小流量涡流管特性研究还进行得很少,而关于涡流管低温特性的研究更是几乎没有。 本文的研究目的就是通过理论和实验两方面深入分析和研究涡流管的常温和低温特性,探求涡流管能量分离机理的内在规律,以便为涡流管在低温下的应用提供依据。 本文在涡流管机理研究方面,从能量基本方程出发,推导出引起能量分离的因素是压力的不定常波动、粘性应力和热量传递。根据热力学定律,采用最小熵产分析方法,建立了涡流管的热力学模型,得出了产生所需冷热端温度同最小压比之间的函数关系,并在h—s图上表示出涡流管能量分离热力过程。为涡流管的理论研究提供一种新的方法。 本文首次利用Fluent软件对涡流管内部流场和温度场进行数值模拟,深入研究涡流管内部流场和温度场的分布。在此基础上,建立涡流管类比换热器模型,对涡流管制冷效应的定量化进行深入分析,得出了冷流分量与温度分离效应的函数关系式。用模型结果同Hilsch实验结果中的NO2涡流管(P_(in)/P_(out)=4,两个喷嘴)和作者的实验结果进行对比,结果符合较好。 本文论述了小流量涡流管的设计方法和技术细节,对涡流管技术的开发与应用具有实用价值。 本文自行建立了闭式循环涡流管常温和低温特性研究实验台,并进行了大量实验研究工作。在常温下分别以氮气、氦气和氖气为工质,在不同的条件下,对涡流管性能进行了测试。根据实验结果,对影响涡流管制冷性能的各种影响因素进行了分析,在此基础上提出了增强涡流管制冷性能的方向。首次在常温进气条


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