渦流管以其獨特的能量分離現(xiàn)象,在制冷、天然氣和航天等工業(yè)領域具有重要的應用前景。由于內部存在著復雜的流體運動和傳熱傳質過程,渦流管能量分離機理和優(yōu)化設計尚未得到解決,成為制約其發(fā)展的重要問題。本論文從渦流管流場結構和流動非定常振蕩特性出發(fā),采用數(shù)值模擬與可視化實驗相結合的手段研究了強旋流流場內大尺度渦結構對流場中質量傳遞與能量傳遞過程的影響,揭示了渦流管內流動分離和能量分離機制,并提出了新的優(yōu)化設計方法,具體研究內容與結果如下:首先,對比分析了采用穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算得到的二次環(huán)流結構與采用非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算得到的進動渦核結構的區(qū)別,闡明了這兩種不同流動結構的產(chǎn)生機制與流動特性,發(fā)現(xiàn)了控制強旋流流場結構的非定常特性。通過非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算求解流場結構,發(fā)現(xiàn)了渦流管內強旋流流場中的渦破碎現(xiàn)象;依據(jù)渦破碎理論,將渦核尺度與軸向壓力梯度耦合分析,得到了以折返流邊界為顯著特征的流動結構在不同冷流比下變化規(guī)律,并發(fā)現(xiàn)折返流邊界形狀與能量分離性能緊密相關的特征。通過對監(jiān)測點速度時間序列進行頻譜分析,揭示了流場結構呈現(xiàn)出周期振蕩特性;發(fā)現(xiàn)了進動渦核結構對其周圍流場有顯著影響,使其表現(xiàn)出同一特征頻率振蕩;此外,改變冷流比對流場中質點振蕩影響較小,而升高入口壓力帶來的性能提升可歸結為流場振蕩特征頻率的增大。其次,采用PIV和LDV非接觸式測速設備對流場進行了瞬態(tài)和時均態(tài)測試,得到了在不同管長、冷流比和入口壓力下的軸向及徑向速度場分布,捕捉到了渦破碎現(xiàn)象及位于折返流邊界上進動渦核的大尺度渦結構。揭示了在過短管和過長管中折返流邊界隨著冷流比的增加呈現(xiàn)兩種相反模式的變化規(guī)律;該變化規(guī)律分別對應了兩種不同的能量分離性能惡化機制。發(fā)現(xiàn)了軸向滯止點并不是一種基本的流動結構,而僅出現(xiàn)在性能次佳狀態(tài)的流場中。在不同入口壓力下流動結構具有相似性,改變入口壓力對折返流邊界分布影響較小。此外,通過LDV速度場結果驗證了數(shù)值模型的準確性。再次,通過研究流場振蕩特性對內外層之間能量傳遞的影響,揭示了進動渦核這一大尺度渦結構決定渦流管內流動分離和能量分離過程,建立了基于微元周期性振蕩進行逆溫度梯度能量輸運的類熱泵能量分離模型,并指出進行該熱泵循環(huán)所需功量為進動渦核振蕩所提供,折返流邊界形狀與流場振蕩特征頻率決定了能量分離性能。最后,通過聯(lián)立外部條件、大尺度流動結構和流動分離、能量分離過程,提出了渦流管主流道結構優(yōu)化設計準則,并基于渦結構分析求解納維-斯托克斯方程,給出了主流道關鍵參數(shù)優(yōu)化設計程序。
【學位單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：O35;TK124
【部分圖文】：

１．１．２渦流管作為分離器的應用逡逑通過整理以往提出的關于渦流管在各工業(yè)領域的應用，并根據(jù)渦流管實現(xiàn)的功能和逡逑管內工質流動性態(tài)，可將渦流管劃分為能量分離器和物質分離器如圖１．１所示，其中物逡逑質分離器又包括氣體混合物的分離和氣液混合物的分離。逡逑渦流管作為分離器丨逡逑Ｉ邋的應用邋ｊ逡逑「 ————逡逑能量分離器ｊ邐物質分離器Ｊ逡逑■邋！逡逑Ｉ—邐１■－卿—＿—＿丨丨１邐１——￣１邐逡逑快├洌儒澹倘榷ο低常藎燮藉搴銜鎵義希蟈澹兀歟藻澹劐澹劐澹劐澹劐義希禾烊誨尾裼灣慰掌義掀蹂魏Ｋ位插畏擲耄危浚潁睿瑰危в推義涎鉤清澹у蔚迤﹀我貉蹂畏擲脲義鮮忻佩蝸低沖衛(wèi)硐靛沃票稿危藉蝸低沖義險矩甕沖蝸低懲沖義希誨危卞邋危哄危桑危體危�、辶x賢跡保蔽辛鞴苡τ梅擲嗉捌湎喙賾τ緬義希疲椋紓澹保卞澹櫻悖瑁澹恚幔簦椋沐澹錚駑澹悖歟幔螅螅椋媯椋悖幔簦椋錚鑠澹幔睿溴澹潁澹歟澹觶幔睿翦澹幔穡穡歟椋悖幔簦椋錚睿簀澹錚駑澹觶錚潁簦澹澹簦酰猓澹簀義希玻義

本文編號：2808698