發(fā)布時間：2020-07-01 17:35

【摘要】：渦流管作為一種結(jié)構(gòu)簡單的能量分離裝置,因其結(jié)構(gòu)的簡單性、使用的便利性以及工質(zhì)的綠色環(huán)保性,已經(jīng)在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,并在制造業(yè)的冷卻、低溫生物、精密儀器、航空航天、測量等各領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的發(fā)展前景,但其能量分離的低效率卻是限制渦流管進(jìn)一步深入應(yīng)用的瓶頸。了解渦流管內(nèi)流體的流動形式對于理解溫度分離機(jī)理有重要指導(dǎo)意義。目前對于渦流管的理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于現(xiàn)有應(yīng)用的研究,由于缺乏可靠的理論模型,對渦流管結(jié)構(gòu)和工況變化所引起能量分離效應(yīng)的變化趨勢的預(yù)測變得極具挑戰(zhàn)性,因而急需尋找一種有效的方法方法來預(yù)測渦流管內(nèi)的能量分離和流動行為,有助于理解渦流管內(nèi)的流動機(jī)理,并用于指導(dǎo)渦流管結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和性能的優(yōu)化,推廣其更為廣泛的應(yīng)用。在此思想的指導(dǎo)下,本文主要開展了以下幾個方面的研究工作:1、建立了一種創(chuàng)新型的渦流管性能的數(shù)學(xué)計算模型。該模型首次提出動態(tài)分區(qū)建模的研究思路并建立了冷熱流體的動態(tài)逆流邊界?表達(dá)式,該逆流邊界隨著冷流比?_c以及冷熱端出口壓比p_h/p_c的變化而變化,并將渦流管按照其內(nèi)部流動的不同形式分為不同的動態(tài)區(qū)域。首次建立了一套系統(tǒng)的描述渦流管內(nèi)部能量、動量、質(zhì)量的分布規(guī)律的數(shù)學(xué)模型,分析并預(yù)測了不同工況下渦流管內(nèi)部三維速度場的分布規(guī)律�；谒⒌膭討B(tài)逆流邊界?,分析了不同區(qū)域之間的動量傳遞和能導(dǎo)熱過程,闡明渦流管內(nèi)部工質(zhì)能量分離的機(jī)理。2、搭建了渦流管能量分離特性測試實驗裝置,選用五孔探針以及熱電偶獲得了渦流管不同軸向位置、不同徑向位置處的總壓、靜壓、總速度、三維分速度和溫度的分布規(guī)律,并研究冷流比這個特定因素對渦流管內(nèi)各個參數(shù)沿徑向分布規(guī)律的影響變化關(guān)系。不同于傳統(tǒng)觀點(diǎn)渦流管內(nèi)部切向流動類似于Rankine渦的認(rèn)定,分析發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的切向渦旋流動更符合定常Burgers渦形式。通過計算渦流管內(nèi)部的能量傳遞過程,認(rèn)為渦流管的分離作用主要是由切向動量傳遞、軸向動量傳遞和導(dǎo)熱三個過程綜合作用的結(jié)果,其中動量傳遞由內(nèi)層流體傳遞至外層流體,在噴嘴出口附近導(dǎo)熱由內(nèi)側(cè)傳遞向外側(cè)而隨著流體逐步向熱端流動的過程中外側(cè)流體溫度逐步升高,熱量由外側(cè)傳導(dǎo)向內(nèi)側(cè)。3、利用CFD數(shù)值模擬技術(shù),建立渦流管的三維模型,對不同區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分和加密設(shè)置,設(shè)定恰當(dāng)?shù)膮^(qū)域耦合邊界條件和求解模型進(jìn)行計算。探索空氣在渦流管中流動的內(nèi)部溫度場、速度場和壓力場,并將模擬結(jié)果與所提出的理論模型以及實驗結(jié)果進(jìn)行對比和驗證,吻合性較好,進(jìn)一步驗證了結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外也更進(jìn)一步的解釋了渦流管的能量分離效應(yīng)。本論文對于正確理解渦流管能量分離機(jī)理、提高渦流管的能量分離效果,具有重要的科學(xué)意義和工程實際價值。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB65
【圖文】：

1.1 渦流管及其發(fā)展歷程簡介渦流管是一種非常簡單的能量分離裝置，在有一定進(jìn)出口壓力差的情況下可以將入口工作流體分離成一股高于入口溫度的流體和一股低于入口溫度的流體。如圖1.1所示，常見逆流型渦流管由噴嘴、渦流室、熱端管、熱端調(diào)節(jié)閥、冷端管和冷端孔板組成。高壓入口流體經(jīng)由噴嘴膨脹降溫并加速，噴嘴出口的高速低溫流體沿切向進(jìn)入渦流室形成高速旋流并逐步向熱端流動。一部分流體經(jīng)熱端調(diào)節(jié)閥從熱端出口流出；另一部分流體在渦流管中心區(qū)域由熱端向冷端壓力梯度作用的驅(qū)使下回流，并在這個過程與外側(cè)流體進(jìn)行動量和熱量的傳遞，之后經(jīng)冷端孔板從冷端出口流出。熱端出口的流體獲得部分能量并升溫，為熱流體；冷端出口的流體失去一部分能量并降溫，為冷流體。圖 1.1 逆流型渦流管結(jié)構(gòu)及工作過程示意圖Fig.1.1 Counterflow vortex tube schematic structure and working process

為了探索渦流管的能量分離特性、優(yōu)化渦流管的結(jié)構(gòu)以及提高渦流管的能量分離效果，國內(nèi)外諸多研究者們對渦流管的性能進(jìn)行了一系列研究。本文對這些研究工作進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納整理，如圖1.2和圖1.3所示，總體而言對渦流管性能的研究主要分為兩類：對于渦流管結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的影響規(guī)律以及其他新型結(jié)構(gòu)的研究、對于渦流管工作參數(shù)變化影響規(guī)律的研究以及最佳工作參數(shù)的探索。1.2.1 渦流管結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究進(jìn)展

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本文編號：2737071