涡流管流场的三维仿真及关键零部件分析

作     者：张佳卫 

作者单位：西南科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋丹路;袁秀坤

授予年度：2016年

学科分类：080705[工学-制冷及低温工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：涡流管 能量分离 三维数值模拟 性能参数 

摘      要：涡流管是一种没有运动部件的能量分离装置,能够将高压气体分离成温度不同的冷热气流。由于没有运动部件所以具有操作简单,运行可靠,维护成本低等一系列优点,因此在很多领域有很广泛的应用。但是涡流管流量和效率较低,严重限制了涡流管的推广。虽然涡流管操作简便,但是其中发生的能量分离的机理却极其复杂,所以很多学者都对涡流管的能量分离的机理进行分析研究,但是没有一种精确的理论能完美解释涡流管能量分离的原因。本文主要从数值模拟和实验两方面研究涡流管的能量分离机理和结构特性,为提高涡流管的制冷效率,扩宽其应用领域打下坚实的基础。首先本课题确定了涡流管的三维模型。在此基础上,利用流体力学软件Fluent对涡流管内的能量分离过程和流动特性进行数值模拟。分析在不同入口压力、入口气体流量和冷流率对涡流管内流场的影响规律,研究结果表明:入口压力和流量对涡流管的能量分离效应有着重要的影响。冷流率是冷气流与入口气体流量的比例,冷流率可以通过控制两端气流的温度,进而影响涡流管的性能。其次本文还研究了涡流管关键零部件旋流发生器、导流叶片和调节阀对涡流管性能的影响。用数值模拟方法分别分析了气流经过旋流发生器、导流叶片和调节阀后流场的分布情况。通过分析发现旋流发生器的叶片为圆弧形,调节阀的截面锥角为30°时,涡流管的能量分离效果最好。最后搭建涡流管性能实验平台,对涡流管内部温度场进行了测试。详细研究了入口压力、入口流量对涡流管内温度分布的影响。并根据实验数值计算出涡流管的制冷效应、致热效应、制冷效率等性能参数的变化。研究结果表明:涡流管的制冷效率随着冷流率的增大先逐渐增大后逐渐减小,在冷流率为0.6-0.7时,涡流管的制冷效率达到最大值,此时最大制冷效率约为21%。