涡流管能量分离特性及其机理研究

As a simple energy separation device, vortex tube can achieve refrigeration, heating and temperature separation effect, and has been widely used in the refrigeration, aviation and other fields. However, the theoretical research on the vortex tube has been seriously lagging behind. The most prominent problem is that so far there is no clear understanding of the internal energy separation mechanism which is acceptable to researchers. For this situation, this project will focus on the analysis of the energy separation process in the vortex tube. The CFD technique will be used to simulate the flow and heat transfer process of the three-dimensional compressible swirling gas in the vortex tube to get the velocity, pressure and temperature distribution in the tube. The experimental device for the measurement of flow field and temperature field inside the vortex tube will be built and experimental research will be conducted to verify the numerical simulation results. On the results mentioned above, combined with the theoretical and experimental results of the existing literatures, analyses of the momentum and energy transfer process in the vortex tube will be carried out to clarify the internal mechanism of these transfer processes. By the deep understanding of the vortex tube mechanism, an improved design method of vortex tube structure will be proposed to obtain better energy separation performance of the vortex tube. This project has great significance in scientific research and practical application, especially for correct understanding of the energy separation mechanism and the improvement of energy separation efficiency of a vortex tube.

涡流管作为一种结构简单的能量分离装置，可以实现制冷、制热以及冷热分离，已经在制冷、航空等诸多领域得到广泛应用。然而对涡流管的基础理论研究始终严重滞后。最为突出的问题是，迄今为止对它内部的能量分离机理还没有一种清晰的、被大家能够接受的认识。针对该现状，本项目将以涡流管内能量分离过程的分析为核心，利用CFD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，获得管内的速度、压力和温度分布规律，并搭建涡流管内部流场与温度场测量实验装置，进行实验研究，验证数值模拟结果；以此为基础，提出动态分区建模的创新研究思路，对涡流管内的动量与能量传递过程进行分析，阐明这些传递过程的内在机理；此外，基于对涡流管机理的全新理解，提出涡流管结构改进设计方法，以期得到更优的涡流管能量分离性能。本项目对于正确理解涡流管能量分离机理、提高涡流管的能量分离效果，具有重要的科学意义和工程实际价值。

涡流管是一种有巨大发展潜力和广阔应用前景的能量分离装置。但是，针对涡流管的理论研究远远滞后于应用研究，缺乏贴合实际的性能预测理论和优化方法，这是高性能涡流管开发所面临的瓶颈与难点。.针对现有理论难以描述涡流管内能量分离现象的现状，本项目创新性地将涡流管按其内部主要流动形式进行动态分区，首次建立了冷热流体的动态逆流边界表达式，用于描述流体边界随着冷流比以及其他工况而变化的规律；基于分区理论建立了一整套简单可靠的涡流管流场计算数学模型，计算得到了涡流管内部的速度分布；分析了内外层流体之间的能量传递过程，突破了传统理论的束缚，详细阐明了涡流管内部能量分离新机制。发现了稳态的切向涡旋流动更符合定常Burgers涡形式，提出了涡流管的能量分离是动量、热量、功量传递以及能量转换共同作用且彼此耦合的结果。这是本项目研究得到关于涡流管内能量分离机理的最新解释。.搭建了涡流管能量分离特性测试实验装置，选用五孔探针及热电偶获得了涡流管内不同轴向、不同径向位置的总压、静压、总速度、三维分速度及温度的分布规律，研究了不同冷流比和入口压力工况下流场的变化趋势及工况参数的影响规律。此外利用数值模拟技术，建立了涡流管三维模型，揭示管内流动特性和能量分离规律并验证了理论模型。.针对当下涡流管结构优化缺少理论依据的现状，提出了基于各参数与流场结构映射关系的多参数协同优化方法，解决了涡流管流场内冷端附近出现二次回流现象的问题，并确保热端出口附近滞止点的形成，大幅提升了涡流管的性能。.本项目深入研究了涡流管内部流场结构变化规律，其研究成果使得人们对涡流管能量分离理论产生了新的认识，为涡流管性能改进研究提供坚实的理论依据和全新的出发点，所构建的优化方案对涡流管的结构设计、运行工况调整以及应用场合扩展，具有重要的理论意义和应用价值。