渦流管能量分離效應(yīng)的理論與試驗(yàn)研究.pdf

1、渦流管是一種能夠?qū)嚎s空氣同時(shí)分離出冷熱氣流的新型能量分離裝置，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無運(yùn)動(dòng)部件、操作方便、運(yùn)行可靠、免維護(hù)等一系列優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有制冷、制熱、分離、抽真空等多方面功能，在科學(xué)研究及工業(yè)等諸多領(lǐng)域得到愈來愈廣泛的應(yīng)用。盡管渦流管結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單，但是發(fā)生在管內(nèi)的能量分離效應(yīng)卻極其復(fù)雜，至今沒有一種精確的理論能夠從本質(zhì)上解釋其現(xiàn)象。渦流管問世以來，渦流管及其相關(guān)效應(yīng)的理論價(jià)值和巨大應(yīng)用潛力，一直是國(guó)內(nèi)外專家研究的熱點(diǎn)。 利用

2、熱力學(xué)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(yīng)、制熱效應(yīng)及冷氣流率之間的關(guān)系式，并推導(dǎo)出渦流管能量分離過程的熵增模型；結(jié)合渦流管內(nèi)氣流的實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，分析柱坐標(biāo)系下可壓縮氣流湍流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的總能量方程，揭示出渦流管能量分離效應(yīng)的物理機(jī)制，即渦流管內(nèi)可壓縮氣體發(fā)生的能量分離效應(yīng)主要由三個(gè)因素引起的：徑向湍流脈動(dòng)引起的熱流通量、湍流軸向剪切應(yīng)力功和湍流切向剪切應(yīng)力功。 利用正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，研究了噴嘴數(shù)目

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

4、另一個(gè)變量，系統(tǒng)的研究了這四個(gè)主要尺寸參數(shù)對(duì)渦流管制冷效應(yīng)、單位制冷量和制冷效率的影響。通過對(duì)渦流管的無量綱熵產(chǎn)數(shù)和火用效率進(jìn)行分析，得出了可壓縮氣體經(jīng)過渦流管發(fā)生能量分離過程后，所產(chǎn)生的不可逆損失程度相當(dāng)大的結(jié)論。設(shè)計(jì)渦流管內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)測(cè)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(gè)特定因素對(duì)渦流管內(nèi)各個(gè)參數(shù)沿徑向分布的影響變化關(guān)系。結(jié)果表明：所采用的三

5、孔探針和所研制的測(cè)溫?zé)犭娕寄軌驖M足試驗(yàn)要求，試驗(yàn)結(jié)果很好地反映渦流管內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布規(guī)律，從而為進(jìn)一步深入研究渦流管的能量分離機(jī)理創(chuàng)造了條件。 利用CFD數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)渦流管內(nèi)三維可壓縮強(qiáng)旋流氣體的流動(dòng)和換熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬，清晰地勾勒出渦流管內(nèi)三維流場(chǎng)的全景式“圖畫”，獲得了管內(nèi)的溫度分布規(guī)律。為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將模擬結(jié)果與試驗(yàn)值相比較，二者吻合較好。同時(shí)采用無量綱的分析方法將模擬結(jié)果與前人的實(shí)測(cè)結(jié)果加以比較，