渦流管的工作原理

1、渦流管的工作原理摘要渦流管中，從同一個管道進(jìn)入的冷流與熱流的產(chǎn)生已經(jīng)被許多研究者研究，目的是為了找尋分離的初步原因。本論文做出了一個對渦流管中的流動行為的詳細(xì)解釋與描述了用許多實驗方法確定的在渦流管中產(chǎn)生冷流熱流的機械工作原理，這些方法包括：對水動渦流管的內(nèi)在流動結(jié)構(gòu)的可視化，對水動和空氣操動渦流管內(nèi)部的速度方面的測量。理論上溫度下降的估算是建立在這篇文章所介紹的強迫渦流的壓迫梯度的基礎(chǔ)上的，并且一致認(rèn)定的實驗結(jié)果被保存了下來。對于空氣操動渦流管的流動性能的放射能測試分析指出：沒有外部的能量轉(zhuǎn)移到熱流部分的渦流管。甚至，溫度升高的主要原因是流動結(jié)構(gòu)的停滯和混合。在被提出的機械原理的基礎(chǔ)之上，帶

2、有許多幾何參數(shù)的渦流管的早已預(yù)測的表現(xiàn)和實驗結(jié)果一致，同時反過來證實了早已被提出的機械理論的正確性。渦流管：工作原理渦流管是一個能將從噴嘴進(jìn)入的空氣分離成兩個溫度不同的氣流的熱工設(shè)備。從切線方向注射進(jìn)入渦流管的壓縮空氣被分成比進(jìn)入時溫度一個較高一個較低的氣流。用這種方法，熱氣流和冷氣流只是被渦流管分離開而不是用附加的其他構(gòu)件。圖1表示一個逆流渦流管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和被指定的在渦流管中的流動行為。重要的是，因為在管道中渦流管沒有其他的部件，所以對于兩個不同溫度的氣流的分離只能通過流動動力的作用來實現(xiàn)。在以前的研究中，渦流管表現(xiàn)出促進(jìn)作用在冷空氣，熱空氣，混合空氣的分離上。在與其他的工業(yè)技術(shù)的比較上，渦

3、流管的主要優(yōu)點在于沒有活動部件，體積小，低成本，免費保修及有可調(diào)節(jié)的即可制冷制，這些優(yōu)點激勵了正在進(jìn)行的對于這個簡單設(shè)備的機械原理的研究，帶著改善管道的工作狀態(tài)和確定主要因素的目標(biāo)進(jìn)行試驗。對于溫度分離的基礎(chǔ)已經(jīng)提出了許多的假設(shè)。假設(shè)包括渦流管的壓力梯度，氣流的內(nèi)部摩擦和渦流管中工作氣流與內(nèi)壁的摩擦，渦流管中的靜止溫度梯度和次要的環(huán)流與聲氣流。詳細(xì)的討論和分析得出了上述假設(shè)。這些假設(shè)在上文中提到。圖表表示一個廣泛被接受的關(guān)于渦流管中熱環(huán)境的解釋，這個解釋在之前沒有被提出來是因為渦流管中復(fù)雜的流動機械理論。最近，Liewet al. (2012)報道說在溫度分離時由渦流產(chǎn)生的絕熱性的壓縮和膨脹提

4、供了一個理論性的對于溫度的預(yù)測，這是以現(xiàn)存的壓力為基礎(chǔ)做出的預(yù)測。然而，如同之前發(fā)表的文章中提到的，工作氣流的壓力不能被認(rèn)作為溫度上升的原因，因為在渦流管內(nèi)部的壓力總是低于入口的壓力。這個理論(Xue et al., 2012)同其他理論(Gao, 2005; Hartnett and Eckert, 1956;Lay, 1959)都被可測量的渦流管壓力分配所證實。本論文闡述了一個對于渦流管中冷熱流產(chǎn)生的新解釋，這個解釋是建立在局部停滯和由于發(fā)生在管道尾部的多向環(huán)流以及在注射嘴處的壓力梯度的基礎(chǔ)之上。在對之前假設(shè)(Xue et al., 2010)的反思中，這個解釋第一次被提出來，并在多次的實

5、驗研究(Xue et al., 2011, 2012, 2013)中得到證實。在這個文章中，是有對這個理論解釋的細(xì)節(jié)描述，其理論是關(guān)于被渦流管中流動行為和流動性能的實驗及研究證實并支持的。流動結(jié)構(gòu)的可視化及氣流驅(qū)動和水驅(qū)動的渦流管的高速構(gòu)件的測量表示出調(diào)整過的流動結(jié)構(gòu)使得氣流按照溫度被分成兩股。對于其有效性的結(jié)論也被在管道冷端預(yù)測的溫度下降和實驗數(shù)據(jù)的相關(guān)性所證實。在管道中做的能量分析也證明了在不同流動層次有可忽略的能量傳輸，這證明了外圍流動的能量傳輸是導(dǎo)致溫度上升的主要因素，即通過已調(diào)整的流動結(jié)構(gòu)。渦流管的工作原理與已調(diào)整的機器原理有一定關(guān)系。同時，理論價值和研究必要的實驗結(jié)果之間存在的重要

6、相關(guān)性也證實了渦流管的工作原理。2渦流管的制冷效果渦流管的制冷效果被認(rèn)作是在靠近噴嘴處工作氣流瞬間膨脹的結(jié)果。當(dāng)氣流被注射進(jìn)入渦流管，主要氣流旋轉(zhuǎn)，并流向熱端?？拷⑸潼c，在內(nèi)部的外圍氣流反向并移向冷端出口。在注射處的一個冷核的形成是源于壓迫渦流的壓力梯度和在這個冷核中的工作氣流的壓力減小所引起的溫度下降。在渦流管冷端的流動行為請見圖表2，圖表2中表示了內(nèi)部氣流的轉(zhuǎn)向和冷核。這個對于制冷的解釋將在下面的小結(jié)中被確認(rèn)。2.1流動結(jié)構(gòu)的證實對于制冷的解釋已經(jīng)被假設(shè)和對流動結(jié)構(gòu)的實驗觀察得出的結(jié)論所證實。在水驅(qū)動的渦流中的流動結(jié)構(gòu)的可視化已經(jīng)被要求應(yīng)用不同的可視化方式(Xue et al., 201

7、1)。流動結(jié)構(gòu)的詳細(xì)說明是建立在可觀察的被注射的示蹤粒子的運動上的。應(yīng)用示蹤粒子發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的注射氣流反向移動到冷端然后在冷端出口排出。這個在渦流管中以調(diào)節(jié)的流動結(jié)構(gòu)也通過在空氣操作的渦流管中的速度測量被證實，這項證實在圖表3中用一個假設(shè)的流動結(jié)構(gòu)表示出來。這個在噴嘴端的消極輻射速度闡釋了外流向管道中心移動。這個內(nèi)部的外流移動的原因是靠近冷端噴嘴的瞬間膨脹，同時得到冷核的產(chǎn)生是源于溫度下降的結(jié)論。在冷核中，內(nèi)部反向氣流是兩個最高軸向速度產(chǎn)生的原因。在大部分噴嘴處的氣流都向冷端出口移動的時候，在管道前部的流動結(jié)構(gòu)也被在0.05升時軸向速度的分配所支持。2.2溫度下降的估計渦流管的溫度下降的估算是根據(jù)

8、被測量的速度。在渦流管噴嘴處附近的氣流表現(xiàn)為一個壓迫氣流，壓力的分配可用以下表示：在這里dp/dr是徑向的壓力梯度，P是當(dāng)?shù)貧饬髅芏?，w是角速度，r是徑向位移，等于以下公式：壓力梯度可以寫成：對于絕熱的處理，溫度與控制體的壓力之間的關(guān)系是：將這個關(guān)系帶入壓力梯度，就變成了：整合公式，代替外在的性能，這包括了內(nèi)部的密度，靜止壓強，和溫度表達(dá)為in Pin和Tin。渦流管的半徑和氣流的熱容量表示為Rt和。外部的溫度與渦流管內(nèi)部下降溫度的不同可以被推斷為：如同渦流管的幾何參數(shù)的變化，渦流管中不同溫度的氣流混合然后在一個溫度下變成冷流排出，這個溫度比公式計算溫度的最小值要高。最近，Polihronov

9、和Straatman提出了一個對于角推動力在氣流中的影響的理論分析，提出了溫度的下降在于渦流管中絕熱體的膨脹。這項實驗證實了這種推測的可能性。已經(jīng)被確定的是壓力渦流的最小溫度是在其中心。因此，對一個渦流管來說，最大的溫度下降發(fā)生在管道的中間在噴嘴附近。為了證實這一猜想，Bruun (1969), Gao (2005),Hartnett 和 Eckert (1956), Lay (1959)的實驗數(shù)據(jù)被用在做數(shù)據(jù)比較。由于不同的實驗條件，一個無量綱的溫度下降數(shù)值被計算出來，應(yīng)用了上述提到的方法測量到的最大值和實際溫度下降值的關(guān)系。這個數(shù)據(jù)可以表示為：溫度下降半徑被計算出來，在這項研究及圖表4所示

10、的其他實驗中。變量M表示在管道入口處的馬赫數(shù)。這就表明了，極端的最大溫度下降值比實驗結(jié)果更有價值。這可以被因為不同溫度下的氣流混合所導(dǎo)致的溫度下降所解釋。實驗數(shù)據(jù)與計算值相接近表示出渦流管的更好的制冷效果，因為更少的在冷核處的混合氣流可以導(dǎo)致冷氣流的更低溫度。因此，一個基于壓力渦流假設(shè)的溫度下降猜想表明渦流管的制冷能力同時支持了一個觀點：溫度下降的主要原因是入口處的壓力下降。3.渦流管的加熱效果渦流管的加熱效果可以外部的能量傳輸用來說明，能量包括熱能動能和漩渦氣流的部分滯留。如同在前文表述的(Xue et al., 2010),在熱端的流動結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了部分滯留和混合從而導(dǎo)致了渦流管的溫度升高。在

11、渦流管的熱出口，外圍氣流的外層從控制閥和被在圖表2中的黃色螺旋所表示的管道所形成的小空隙中溜走。氣流的內(nèi)部被閥門強迫返回通過管道的中間部分（粉色螺旋）。在通往冷端的過程中，螺旋氣流向外圍混合氣流流動，然后返回?zé)岫耍t色螺旋）。在這種流動結(jié)構(gòu)中，形成了學(xué)術(shù)上被稱為的多環(huán)流，其外部部分及混合體是溫度上升的主要原因。在渦流管后端的流動結(jié)構(gòu)也在圖表2中表示，在多環(huán)流處表示。3.1流動結(jié)構(gòu)的確認(rèn)在熱端的真正的氣流行為被研究調(diào)查。通過在適當(dāng)位置向渦流管注射染劑，在熱端的可視的結(jié)果表明次要氣流的外圍氣流持續(xù)其旋轉(zhuǎn)并向熱端移動(Xue et al., 2011),就如同表格5表示的。在熱端，部分的外部氣流在熱

12、端排出，而內(nèi)部的氣流被控制閥強制返回。在管道熱端的氣流行為被觀測著，通過追蹤在強迫回流的氣流中的被注射的粒子。在圖表6中顯示了關(guān)于每一個粒子的位置的持續(xù)影像記錄。影像清晰表現(xiàn)了在熱端的流動結(jié)構(gòu)。在圖表中也能表現(xiàn)出來被控制的粒子帶著增加的旋轉(zhuǎn)半徑向冷端移動，然后在某一位置，粒子又再次返回到熱端出口。(Xue et al., 2011).因此，對于任何一個粒子的觀察，在熱端出口的流動性為可以被描述成：“被強迫返回控制閥，中心旋轉(zhuǎn)的氣流帶著增加的旋轉(zhuǎn)直徑從閥門處移向冷端。在管道軸線的某一位置上，部分的中心流動氣流向外移動到輻射距離，與外側(cè)氣流混合，然后轉(zhuǎn)向熱端出口。在返回點上，工作氣流的軸線速度降低

13、為零，但是螺旋速度保持不變。因此，工作氣流的部分停滯和混合是流動結(jié)構(gòu)，即學(xué)術(shù)上稱為多環(huán)流，導(dǎo)致的，同時導(dǎo)致了溫度上升。多環(huán)流的形成也可以被在輻射方向的示蹤粒子的軌跡所解釋。在熱端的內(nèi)部流動模式可以被解釋為一個螺旋的渦流，就如同圖表6所示。其流線功能可以被形容成源與無漩渦流的結(jié)合：在這里表示流量函數(shù)，q是流率，K是渦流強度，和r表示坐標(biāo)參數(shù)。事實上，徑向速度是正數(shù)，這表示了氣流向外部流動。這個氣流外部移動表示在圖表6和7中。當(dāng)注射針被放置在水驅(qū)動的渦流管中的適合位置，多環(huán)流的流動結(jié)構(gòu)也被可視化，通過注射染料。圖表7表示注射的染料的記錄軌道表示其向冷端移動。在經(jīng)過一個輕微的向上移動以后，在外圍部分

14、被注射的染料向下移動到熱端。因此，這項特別的研究表示：中心氣流的回轉(zhuǎn)和在管道熱端的多環(huán)流的形成。多環(huán)流的流動結(jié)構(gòu)被一種理論支持，這個理論就是圖表3中表示的速度測量的質(zhì)量分析。在熱端的最大軸速度出現(xiàn)在管道的中間部分，并且說明氣流被閥門強迫返回到中間部分(Xue et al., 2012)。隨著中央氣流流向冷端，離心速度引起的外向輻射氣流導(dǎo)致了最大軸速度從中間位置的偏移（在0.75升）。同樣的情況，多環(huán)流的形成是源于正向輻射速度，這表示了中央氣流的外向運動。螺旋速度的分配源于氣流可視結(jié)果，從而推論出一個不規(guī)律的渦流出現(xiàn)在水動渦流管的熱端。在一個空氣操動的渦流管中，螺旋速度分配表明一個轉(zhuǎn)移，這個轉(zhuǎn)移

15、是從在冷端的強迫渦流到在熱端的無規(guī)律的渦流模式（圖表3）。無規(guī)律的渦流氣流在渦流管的熱端，這表示這中心氣流的向外運動和多環(huán)流的形成，也可以得出一個結(jié)論，在中央部分有一個很強的離心力。多環(huán)流的結(jié)構(gòu)也同樣被流率的分配的理論支持，這個理論實施在水驅(qū)動渦流管，就像圖表所說。3.2內(nèi)部氣流的能量分析這項調(diào)查的核心問題是區(qū)分能量轉(zhuǎn)移在不同層次的氣流中(Xue et al.,2010)。如果在不同層次的能量轉(zhuǎn)移是巨大的，動力向外轉(zhuǎn)移是由于速度的原因，氣流的晃動可以被視為是分離的原因。相反的，突然的膨脹和部分滯留也是在溫度分離的主要原因，包括無關(guān)緊要的能量轉(zhuǎn)移。因此，在一個渦流管中，一個能定義在系統(tǒng)中最大化可

16、用能量的能量分析是用來證實之前的猜想。為了進(jìn)行靈敏的測試，一個無窮小的控制變量被選中，這個變量可以通過在渦流管中測量的結(jié)論計算出能量。這種情況下，當(dāng)?shù)販y量氣壓可以被用到能量分析中，而不是大量的控制變量。被定義為能量密度，這個被計算的結(jié)果表明氣流層次的能量可以被確定，這些能量來源于能量的轉(zhuǎn)移。能量密度可以被計算：在這里i是當(dāng)?shù)乜諝饷芏?，Cp是在特定壓強下的特定溫度，T和P表示靜態(tài)溫度和靜態(tài)壓強，用i和o表示。V表示平均速度，v表示瞬時速度。I表示湍流強度，R是通用氣體常數(shù)。為了從能量密度分析中得到一個可靠的結(jié)論，在這個實驗或者其他研究中渦流管中的流動性被記錄下來。一件事是應(yīng)該注意的在這些實驗中計

17、算的能量密度的分配是不同的，因為不同的數(shù)據(jù)和相關(guān)的情況。因此，一個能量密度的無量綱化數(shù)值能被測量出來，通過能量密度的真實數(shù)值和內(nèi)部能量密度數(shù)值的關(guān)系?？梢员欢x為：注意在內(nèi)部注射的能量密度，同樣是在渦流管中能量密度的最大值。渦流管中的能量密度分布值被表示在圖表8中，其數(shù)值是通過實驗數(shù)據(jù)所計算出來的(Xue et al., 2012)，和其他的數(shù)值。在圖表中可以看到外圍氣流的能量密度在入口處急速下降，那是因為外圍氣流充滿了渦流管的入口位置。這種能量密度的分配表明冷核的存在和同前邊討論過的下降的冷流的條件下的冷核影響。在外圍，在熱端口的輕微下降的能量密度表明那里有一個少量的像外圍氣流的能量轉(zhuǎn)移。這

18、個直接向外的能量轉(zhuǎn)移，其中包括熱能和動能，不能被當(dāng)做是溫度上升的主要原因。因此，氣流的部分停滯和混合很好的保證了溫度上升，通過多環(huán)流的結(jié)構(gòu)而達(dá)到這個目的。4.渦流管的工作原理基于以上討論，渦流管中的流動行為的細(xì)節(jié)在圖表2和3中進(jìn)行總結(jié)。這個渦流管中的溫度分離的基礎(chǔ)可以被解釋為：當(dāng)有壓力氣體從切向入口注射進(jìn)入渦流管，其會形成一個高速轉(zhuǎn)動的氣流然后移動到管道尾端。內(nèi)部的氣流移向熱端然后反向管道前端。這部分的氣流得到膨脹的原因是管道內(nèi)部的的低壓，隨即氣流在一個比進(jìn)入氣體溫度低的溫度從冷端噴嘴排出。一小部分的內(nèi)部氣流與多環(huán)流混合形成了小漩渦，這個小漩渦可以將冷流和多環(huán)流分離。因為渦流管中階梯壓力，最低

19、的溫度會出現(xiàn)在氣流的中心部分，噴射嘴的附近。在經(jīng)過與其他在內(nèi)部返回的冷流混合，從冷端噴嘴排出氣流的最低溫度會變得比在管道內(nèi)部的最低溫度更高。冷部分和熱部分也在下表中表現(xiàn)出來，在他們之中是混合和分離部分。氣流的邊緣部分以一個比入口溫度更高的溫度從熱端排出，并且內(nèi)部氣流在熱端被強制返回閥門。因為螺旋速度的增長，螺旋氣流的離心力增加并且指領(lǐng)中央氣流的內(nèi)部環(huán)流。在到達(dá)冷端的路上，中央氣流向外部移動，與外圍氣流混合然后再次向熱端返回。用這種方法，中央氣流表現(xiàn)出多環(huán)流在被在熱端排出之前。用為在管道熱部分的強烈螺旋氣流，多環(huán)流中的下部氣流可能在正常多環(huán)流中出現(xiàn)，這種多環(huán)流用圖表中虛線表示。外圍氣流的溫度升高

20、的原因是多環(huán)流引起的部分滯留和混合。最大溫度應(yīng)該出現(xiàn)在外流返回中央氣流的熱端時，大概三分之一的管道總長在Xue et al. (2010)得到討論。沿管道的最大的溫度也出現(xiàn)在距離熱出口有一段距離處(Aydin and Baki, 2006；Promvonge and Eiamsa-ard, 2005)。根據(jù)這些制定的氣流行為，渦流管的工作原理在一個多變的冷的巨大的流動頻率被商討，這個頻率通常被可調(diào)整的熱端閥門所控制。為了得出渦流管中一個準(zhǔn)確的在工作處理方面的研究結(jié)果，流動模式被分為幾個部分（圖表9中表示），這些部分為管道中渦流部分，冷核，外圍氣流，混合分離部分和熱部分或者多環(huán)流部分。管道角落的

21、渦流狀態(tài)是由注射氣流引起的，這種狀態(tài)在冷出口很小時可能被視為次要環(huán)流(Ahlborn and Groves,1997)。當(dāng)渦流管的冷出口比臨界值大的時候，所有移向冷端的氣流都會從那個出口排出，然后那里將不會再有氣流被迫反向形成角落里的渦流。冷核部分在圖表2中用藍(lán)色雙螺旋表示，并標(biāo)志了附近的注射點。其是膨脹發(fā)生的地方，溫度下降是因為強迫渦流的壓力梯度。渦流管中的最小溫度總是出現(xiàn)在冷核的中央位置就是注射口的相反方向。由于實驗數(shù)據(jù)不同，冷核的大小也不同。外圍氣流在圖表2中由黃色雙螺旋表示，也是移向外圍層然后在熱端排出的氣流。這個氣流與多環(huán)流相混合然后以一個更高的溫度離開管道，其原因是能量從外流氣流的

22、動能中轉(zhuǎn)移，就像之前能量分析的介紹的?；旌吓c分離部分可能存在于在冷核的內(nèi)部返回與渦流管的多環(huán)流的外部返回氣流之間。這個部分確保了理想渦流管的最佳運轉(zhuǎn)，通過防止冷流與熱流部分的混合的方式。在沒有設(shè)計恰當(dāng)?shù)臏u流管中，分離氣流的混合與分離部分沒有被完整的設(shè)計出來，因此，這就導(dǎo)致了分離效果不佳。因為氣流條件的復(fù)雜性，還沒有氣流模式的理論數(shù)據(jù)被提出。多環(huán)流確定附近的熱端然后導(dǎo)致了在與外圍氣流的滯留和混合過程中的工作氣流的溫度升高。同樣在圖表2中用粉色雙螺旋表示，其同樣表現(xiàn)了氣流向熱端和冷端的移動。對于一個有著小熱出口的渦流管，多環(huán)流的中央部分可能通過混合部分向冷端移動然后與冷核部分的冷氣流混合。因此，冷

23、氣流的溫度下降是因為這種混合。當(dāng)渦流管的熱端出口非常大的時候，就不會有被閥門強迫返回的氣流。相反的，所有的注射氣流都會從熱端排出，由于強烈的螺旋氣流，一個在冷端附近的管道中央會形成一個低壓區(qū)，降低氣溫下降的范圍。因此，通過吸力從冷端進(jìn)入渦流管的環(huán)境空氣可以形成和引領(lǐng)更多的從熱端來的氣流被排出，比起從注射口進(jìn)入的。環(huán)境空氣的內(nèi)部吸力曾經(jīng)被報道過，被排出的氣流溫度能表現(xiàn)出一個小的溫度增長，因為混合和摩擦的緣故。這種混合和摩擦也消弱了注射點和被吸入的環(huán)境空氣的進(jìn)入口的溫度下降。管道中的氣流將會變成一個強迫渦流然后同時在熱端方向削弱。就像在圖表10中表示的是在有著較大的熱出口的渦流管中的流動行為，同樣

24、表示著渦流管中的外部氣流同被吸入的環(huán)境空氣在這種情況下，一同向中央?yún)^(qū)移動。當(dāng)入出口的范圍減少時，就會有一些空氣從冷端排出，作為結(jié)果，更少的氣流會從熱端離開。部分外圍氣流會被閥門控制強迫返回，小規(guī)模的多環(huán)流會形成。一個由在冷端的強迫渦流到在熱端的無漩渦的氣流的轉(zhuǎn)化將被觀察到。因為這個小規(guī)模的多環(huán)流引起的部分滯留和混合導(dǎo)致了氣流的溫度升高，雖然這部分的溫度依然低于渦流管產(chǎn)生的最高溫度。內(nèi)部氣流開始返回因為多環(huán)流形成的阻礙。冷核的溫度下降是由于管道中的壓力梯度導(dǎo)致的，雖然這里可能有一部分被吸入的環(huán)境氣流，這下氣流可以導(dǎo)致冷出口的溫度降低。在這種情況下的渦流管可以產(chǎn)生冷流和熱流，其管道中可能的流動結(jié)構(gòu)

25、在圖表11中表示。一旦熱端逐漸變小，更多的冷氣流和更少的熱氣流將會從渦流管中排出，在一個特定的冷氣流速率下，冷端的壓力變得比外外界氣壓更大，介于冷端的抽吸將不在存在。（圖表3中顯示）。內(nèi)部氣流的溫度下降是源于壓力梯度，并表示渦流管中的最小溫度，并且是冷核的最大體量和混合環(huán)境空氣的缺少的原因。同樣的，熱氣流的溫度升高是因為多環(huán)流的規(guī)模的變大，這種規(guī)模變大也增強了部分滯留和混合的效果。如果冷質(zhì)量流速率持續(xù)增加，隨之伴隨增加的是多環(huán)流，并且冷核部分的減少會出現(xiàn)，就像圖表2中所示。因此，由于更小的空間用來膨脹，更多的空氣存在于冷部分，冷流的溫度下降是注定出現(xiàn)的。作為結(jié)果，部分滯留和混合的影響是通過多環(huán)

26、流的規(guī)模增加所提高的，其中多環(huán)流是提高熱流溫度的原因。此外，由于熱出口部分的減少，更多的氣體會被閥門控制被迫返回，并沿著管道中央移動到冷端。因此，部分的中央氣流可能會與冷流混合，然后從冷端排出。這個兩種不同溫度的氣流的混合導(dǎo)致了冷出口的溫度提高，并且削弱了渦流管的制冷效果。當(dāng)渦流管的熱出口被堵塞，所有的注射氣體都會從冷端排出，冷質(zhì)量流速率等于1，并且渦流管中內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)在圖表13中表示。在圖表中我們能看到，注射氣體的大部分在冷核中膨脹，然后在冷出口排出。在這種情況下，部分外部氣流向熱端移動，然后在管道末端形成多環(huán)流的結(jié)構(gòu)。因此，管道末端的氣流溫度仍舊升高，其原因是在多環(huán)流部分的部分滯留和混合，

27、同樣能在熱端管道壁溫度中體現(xiàn)。這種情況在一篇文章中發(fā)表Arjomandi and Yunpeng (2007)，其中表明在熱端的管道壁的溫度比熱端口阻塞時高出14度。隨著冷核部分的減少膨脹氣流的數(shù)量增多，在注射口處的溫度下降沒有其他設(shè)定時明顯。高溫度的混合氣流是源于多環(huán)流部分的溫度下降，這同樣如同報道的一樣有著3.2度的溫度下降。當(dāng)熱端被阻塞時的管道表現(xiàn)在其他的研究中也有記載。(Aydin and Baki, 2006; Gao, 2005; Promvonge and Eiamsa-ard,2005; Shannak, 2004)依據(jù)之前的解釋，參數(shù)影響的溫度變化與實驗得出的結(jié)論一致。關(guān)于在

28、冷質(zhì)量流的冷氣流的溫度下降，下降幅度為0到0.3度，制冷效果的改善可能源于環(huán)境空氣進(jìn)入量的減少。當(dāng)冷質(zhì)量率有0.3的改善時，冷流的溫度增加并帶有增加的冷質(zhì)量率。這主要源于冷核部分的減少和多環(huán)流放射出的熱氣流的增加。熱氣流的溫度增加并帶有冷氣流流率的增加或者是熱氣流流率的減少。此外上升的溫度主要是由于強烈的滯留和混合所引起，這種滯留和混合是源于像之前討論過的多環(huán)流部分的增加。應(yīng)該注意的是，對于一個有著冷質(zhì)量流率多于0.8的渦流管，如同圖表12和圖表13的設(shè)置，減少的外圍氣流向熱端移動，并且形成了多環(huán)流的一個薄弱部分。這可能解釋了熱流的溫度下降，當(dāng)冷質(zhì)量流率大于0.8.對于之前研究的不同的渦流管(

29、Arjomandi and Yunpeng, 2007; Gao, 2005;Promvonge and Eiamsa-ard, 2005; Shannak, 2004; Stephanet al., 1983),不同的冷質(zhì)量氣流流率被發(fā)現(xiàn)。然而，在溫度方面的變化趨勢的相同之處展現(xiàn)出來這些論斷的可靠性，并且為之前的解釋提供了有力的證據(jù)。5管道性能的幾何學(xué)影響幾何學(xué)參數(shù)對渦流管性能的影響一直被研究者調(diào)查，通過實驗和計算方法。有報道稱，當(dāng)測試渦流管是選用了不同的幾何參數(shù)，例如管道的直徑和長度，進(jìn)入嘴的形狀和大小，冷熱端，管道的結(jié)構(gòu)和冷熱流的溫度。然而，仍舊沒有一個解釋能被用來解釋在不同參數(shù)下的渦流

30、管工作性能。因此，在之前研究給出的結(jié)論的基礎(chǔ)上，幾何學(xué)參數(shù)影響也在這篇論文中進(jìn)行研究。5.1管道長度管道長度，管道直徑，管道的徑長比的影響被總結(jié)在研究中。報道中說管道的長度應(yīng)該比臨街長度更長為了達(dá)成渦流管內(nèi)部的溫度分離。當(dāng)渦流管長度小于臨界值，冷核和多環(huán)流部分的分離渦流會變得微弱甚至不存在，然后冷流會隨之與多環(huán)流部分的熱流相混合。因此，短小的渦流管中的溫度分離變得不明顯不成功。當(dāng)渦流管長度近似或者超過臨界值時，冷部分和多環(huán)流部分的分離，通過管道長度確保，管道長度同樣提高了在溫度分離方面的性能。對于不同直徑的渦流管，臨界長度不同。5.2管道直徑渦流管的性能也與管道直徑有關(guān)。當(dāng)理想化時，渦流管的直

31、徑可以提供冷區(qū)與熱區(qū)的完美分離，這就說明直徑影響溫度分離的性能。當(dāng)渦流管的直徑太小或者太大，管道中的冷流熱流混合或者冷流與被吸入的環(huán)境空氣混合，都會導(dǎo)致溫度的下降。在熱端，微弱的多環(huán)流將出現(xiàn)在帶有大直徑的渦流管中，因為其的小離心力。因此，對于長度剛好的渦流管，還有一個對于管道直徑的臨界值，這個臨界值可以達(dá)到溫度分離的最大化。5.3管道徑長比有報道說管道的徑長比需要大于20，這是為了在渦流管中得到最佳的溫度分離(Yilmaz et al., 2009),這項發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)代研究相一致，(Xue et al., 2012)一旦這個比率大于45，報道說這將在渦流管中沒有任何作用。這很有可能是因為冷核部分與

32、多環(huán)流部分已經(jīng)被分離當(dāng)比率大于45時。因此，增加長度有可能對性能沒有影響。然而，隨著管道的加長，在熱端的切向速度的減小都會導(dǎo)致多環(huán)流部分的削弱，這種削弱會導(dǎo)致熱流的輕微溫度下降。5.4管道形狀有報道說圓錐形渦流管能產(chǎn)生兩個溫度截然不同的氣流，盡管圓錐形渦流管的長度小于普通直向渦流管(Eiamsa-ard and Promvonge, 2008; Gao, 2005; Yilmaz et al., 2009)。最佳的錐角已經(jīng)被許多研究家提出。然而，還是沒有一個關(guān)于比正常管道短的渦流管的顯著成功的解釋。通過上述解釋，在圓錐形渦流管中的冷核部分與多環(huán)流部分的分離依舊非常成功。因為渦流管的錐角，形狀，

33、在管道尾端的多環(huán)流部分將會有一個類似的錐角在管道內(nèi)壁上，這個錐角多環(huán)流的徑向尺寸增加。因此，冷區(qū)與多環(huán)流部分的混合會被避免。因此，一個短的圓錐形的渦流管依舊可以在分離溫度上正常工作。5.5渦流角一個新的幾何參數(shù)，叫做渦流角度，已經(jīng)被研究。有報道稱渦流角的引入對溫度差別有著副作用。根據(jù)之前的理論，被引入的渦流角導(dǎo)致了切向速度的下降和軸向速度的增加。由于溫度下降和溫度上升都是由強烈渦流氣流引起的，切向速度的降低是溫度分離的原因，這種溫度分離是在一個帶有渦流角度的渦流管中。5.6進(jìn)入噴嘴強烈的渦流氣流，也是在渦流管中溫度分離的主要原因。因此，進(jìn)口噴嘴是主要分支在產(chǎn)生兩個氣流，這兩個氣流導(dǎo)致了渦流管的主要溫度不同。入口噴嘴的基本尺寸不能超過其臨界值，是為了產(chǎn)生強烈的渦流氣流。通常的，入口噴嘴的數(shù)量增多會導(dǎo)致更多的注射氣流和對稱的氣流在管道內(nèi)，這些都到導(dǎo)致壓力溫度分離。此外，太多的進(jìn)入口導(dǎo)致渦流速度的減小，并導(dǎo)致溫度