涡流板内部场三维数值模拟研究

论文摘要

涡流管是一种结构简单的能量分离装置，能够产生Ranque-Hilsch效应，即将高压气体分离成冷热两股气流。涡流管的特点是结构简单、无运动部件、维护简便、工作可靠。目前已在制冷、空调、天然气分离、机械加工等许多领域得到应用。然而由于其效率低，制冷量小等缺点制约了其更广泛的应用。本文应用数值模拟的方法，着重对涡流板的内部场进行分析研究，并根据现有的关于涡流管工作原理、特性、结构特点等方面的研究成果，结合热力学、传热学以及流体力学等理论，建立涡流板的数学模型，并利用CFD软件进行模拟计算，分析研究涡流管的能量分离效应，从而向集成化的涡流板结构进行理论拓宽，同时引入涡流板的结构特性研究。首先，根据涡流管内流动有摩阻流动和绝热节流过程，建立了涡流管热力学模型，通过热力学分析和熵产理论分析涡流管的Ranque-Hilsch效应。涡流管径向能量迁移假设表明，在能量分离过程冷端气体流向热端气体流进行能量迁移。这包括涡流管壁面产生的在摩擦阻力作用气体流螺旋运动区域的动能向热能转换，以及在涡流管壁面附近产生的耗散热能传递给热流气体。与此同时，热流气体的动能和内能同时上升，总焓超过入射气体。于是，涡流管的热端排除热流气体，冷端排除冷流气体。其次，引入涡流板概念，对涡流管（板）进行数值模拟，对比数值模拟和试验结果，验证了数值模拟方法的可靠性。在误差允许的范围内，涡流管冷流率特征曲线描述的结果与涡流管热力学理论给出的结果非常相近，说明涡流管热力学理论假设能够描述Ranque-Hilsch效应。最后通过数值模拟分析涡流管（板）内部场函数分布。充气腔结构能够作为恒压源处理。当在固定充气腔内尽可能布置多个涡流管时，涡流板的总和流量会有所增大，充气腔结构内部场特性将会有所差异。因为充气腔结构的存在影响着涡流管喷嘴内部场分布。于是，涡流管在充气腔的坐标布置能够作为主要因素来决定涡流管喷嘴的截剖面内部场函数的分布，其次涡流管喷嘴位置作为次要因素影响喷嘴解剖面内部场函数的分布。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及其意义
• 1.2 涡流管（板）结构及其Ranque-Hilsch效应
• 1.2.1 涡流管结构
• 1.2.2 Ranque-Hilsch效应
• 1.2.3 涡流板的集成整合概念
• 1.3 涡流管（板）研究方法
• 1.3.1 数值模拟
• 1.3.2 试验研究
• 1.4 涡流管（板）的发展现状
• 1.5 本文主要工作
• 第2章 Ranque-Hilsch效应的能量分离机理
• 2.1 引言
• 2.2 涡流管的径向能量交换假设
• 2.3 Ranque-Hilsch效应的热力学过程
• 2.3.1 理想气体热力学分离模型
• 2.3.2 管内气体流动热力学模型
• 2.3.3 涡流管热力学模型
• 2.4 Ranque-Hilsch效应的熵产分析
• 2.4.1 涡流管冷端气体具有摩阻耗散
• 2.4.2 涡流管冷热端气体均有摩阻耗散
• 2.5 本章小结
• 第3章 涡流管流场数学描述
• 3.1 引言
• 3.2 涡流管内流场的数学模型
• 3.2.1 数学模型
• 3.2.2 模型边界条件
• 3.2.3 参数的无量纲化
• 3.3 涡流管内二次流理论
• 3.3.1 二次流循环
• 3.3.2 二次流优化参数
• 3.4 本章小结
• 第4章 涡流板数值模拟研究
• 4.1 Fluent 6.x控制方程
• 4.2 Fluent 6.x数值计算方法
• 4.3 Fluent 6.x湍流模型
• 4.4 涡流管离散域模型
• 4.5 涡流管（板）的试验验证
• 4.5.1 试验装置和试验方法
• 4.5.2 试验结果与模拟结果对比分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 涡流板数值模拟结果及分析
• 5.1 单管涡流板数值模拟结果及分析
• 5.1.1 Fluent 6.x中涡流管坐标布置及流线图
• 5.1.2 单管涡流板的剖面云图
• 5.1.3 涡流管模拟结果曲线
• 5.1.4 涡流管制冷、制热效果
• 5.1.5 单管涡流板充气腔分析
• 5.2 多管涡流板数值模拟结果及分析
• 5.2.1 多管涡流板的剖面云图
• 5.2.2 多管涡流板充气腔分析
• 5.3 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