涡流管内部场的理论与实验研究

论文摘要

涡流管是一种没有运动部件的简单的能量分离装置,它能够将高压气流分离成温度不同的低压冷热气流。由于它具有操作方便、运行可靠、免维护等一系列优点和制冷、制热、空调以及混合物的分离等多方面功能,在科学研究及工业等诸多领域得到愈来愈广泛的应用。涡流管几何结构虽然简单,其中发生的能量分离过程却非常复杂,所以,关于涡流管能量分离效应的研究一直是许多研究者研究的焦点。本文利用热力学第一定律得到了涡流管制冷效应、制热效应及冷流比之间的关系式。另外,分析了柱坐标系下可压缩流体湍流运动总能量方程,通过分析发现,涡流管内发生的能量分离效应主要是由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引起的。将涡流管类比成热交换器,建立理论分析模型,得到了冷流比等参数和能量分离效应的函数关系式,分析了这些参数对能量分离效应的影响规律。结果表明:冷流比、入口温度、入口压力及无量纲参数对涡流管的制冷、制热效应有着极其重要的影响。自行设计了涡流管特性研究实验台,对涡流管内部温度场进行了测试,详细研究了冷流比这一特定因素对涡流管内温度沿径向和轴向分布的影响。研究结果表明:所研制的测温热电偶能够满足实验要求,实验结果很好地反映涡流管内温度场分布规律,为涡流管能量分离机理今后的研究提供参考。将涡流管几何模型简化为二维轴对称模型,利用流体力学软件对涡流管内的能量分离过程和流动特性进行数值模拟。研究了不同入口压力和冷流比对涡流管内不同径向位置处的总压、静压、总速、切速、轴速和温度等各个参数沿径向分布的影响规律,研究结果表明:入口压力和冷流比对涡流管的能量分离效应有着重要的影响。这些结论为涡流管的设计和应用奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 涡流管的应用
• 1.3 涡流管的发展进程
• 1.4 涡流管内部场的研究进展
• 1.4.1 涡流管内流动形态研究进展
• 1.4.2 涡流管内速度场研究进展
• 1.4.3 涡流管内温度场研究进展
• 1.5 涡流管能量分离机理研究进展
• 1.5.1 理论模型研究的进展
• 1.5.2 数值模拟方面的研究进展
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第2章 涡流管能量分离效应的理论分析
• 2.1 概述
• 2.2 涡流管热力学方法研究
• 2.2.1 涡流管的热力学分析
• 2.3 涡流管的总能量方程
• 2.3.1 可压缩流体的总能量方程
• 2.3.2 涡流管温度分离效应的机理分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 涡流管类比热交换器理论
• 3.1 引言
• 3.2 涡流管类比热交换器理论
• 3.3 结果分析与讨论
• 3.3.1 入口温度对涡流管特性的影响
• 3.3.2 无量纲参数M对涡流管特性的影响
• 3.3.3 压比与冷流比对涡流管性能影响
• 3.3.4 绝热效率与冷流比对涡流管性能影响
• 3.3.5 结论
• 3.4 本章小结
• 第4章 涡流管内温度分布影响实验研究
• 4.1 概述
• 4.2 涡流管能量分离实验方案
• 4.2.1 实验装置简介
• 4.2.2 实验流程
• 4.2.3 涡流管的制冷、制热效应曲线
• 4.3 冷流比对内部温度场影响的实验研究
• 4.3.1 概述
• 4.3.2 热电偶探针设计
• 4.3.3 IMP数据采集系统
• 4.3.4 温度场测试方案
• 4.3.5 实验流程
• 4.3.6 实验结果及分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 涡流管内部场数值模拟
• 5.1 概述
• 5.2 FLUENT软件简介
• 5.3 物理模型简化
• 5.3.1 物理模型
• 5.3.2 基本简化假设
• 5.4 数值计算方法
• 5.4.1 基本控制方程
• 5.4.2 湍流模型
• 5.4.3 网格划分
• 5.4.4 边界条件
• 5.4.5 控制方程的求解方法
• 5.4.6 数值求解方法
• 5.5 本章小结
• 第6章 数值模拟结果的分析讨论
• 6.1 引言
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 模拟结果验证
• 6.2.2 涡流管内温度分布
• 6.2.3 冷流比对管内流场、温度分布影响
• 6.2.4 入口压力对管内流场、温度分布影响
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢