錐形雙路渦流管的內(nèi)部流動與性能分析

-圖1.2逆流型渦流管工作原理圖Fig.1.2Functionaldiagramofcounterflowvortextube圖1.3順流型渦流管工作原理圖Fig.1.3Functionaldiagramofparallelflowvortextube渦流管按熱端管可分為直管渦流管和錐形渦流管兩種[25]。在Hilsch的研究中，主要以直管渦流管的結(jié)構(gòu)尺寸為基礎(chǔ)來研究其對性能的影響，其結(jié)構(gòu)形式為：熱端管壁面應(yīng)光滑且為圓管型，分離孔板的位置應(yīng)盡可能的接近噴嘴處，熱端閥距噴嘴的距離應(yīng)為熱端管直徑的50倍。而后大多數(shù)學(xué)者采用的渦流管的結(jié)構(gòu)基本上都是基于他所推薦的幾何比例關(guān)系。圖1.4錐形渦流管工作原理圖Fig.1.4Functionaldiagramofconicalvortextube另一種是錐形渦流管，其結(jié)構(gòu)如圖1.4所示。Paruleker[26]通過改變熱端管的錐角，可以明顯地縮小長徑比，他的研究指出，可以將錐形管的長度縮短為直管的1/3而得到同樣的制冷效率。采用錐形結(jié)構(gòu)，可以有效低縮短熱端管的長度。據(jù)此，Takahama[27]對錐形渦流管進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)熱端管的錐角有最優(yōu)值。當(dāng)流體在熱端管內(nèi)運動時，隨著橫截面積的增加，旋流強(qiáng)度逐漸減弱。他得出最佳的錐角范圍為1.7°~5.1°。為了減弱旋流速度，并達(dá)到提高渦流管的處理量的目的，宋福元[28]等人將多個渦流管并聯(lián)，集成于渦流板上。但是研究的結(jié)果表明：渦流板的流率和制冷效應(yīng)與單個渦流管相同。一些學(xué)者提出了安裝阻渦器的方法，可以起到縮短熱端管長度的作用。先后有Dyskin[29]、何曙[30]等對這種帶阻渦器的渦流管進(jìn)行研究。圖1.5錐形雙回路渦流管工作原理圖Fig.1.5Functionaldiagramofconicaldouble-circuitvortextube俄羅斯的研究者Piralishavili[31]設(shè)計了雙向進(jìn)氣式的渦流管。即在熱端出口處附加一個入口，該附加入口通過在熱端閥中心打洞實現(xiàn)，附加氣體與主入口氣體來自同一個氣體源，這樣在主入口和附加入口之間便構(gòu)成了一個回路，如圖1.5所示。實驗結(jié)果表明這種結(jié)構(gòu)的渦流管可以提高制冷量和改善能量分離性能。圖1.6回流式的渦流管Fig.1.6Vortextubewithbackflow國內(nèi)的劉立強(qiáng)[32]等人也做了類似的研究。研究得出以下結(jié)論：增大進(jìn)口壓力，可以提高制冷效應(yīng)和制熱效應(yīng)，但是增長的趨勢會逐漸減?。粶p小冷端板的孔徑，可以適當(dāng)?shù)靥岣咧评湫?yīng)。前蘇聯(lián)包曼大學(xué)設(shè)計出了一種回流式渦流管，其結(jié)構(gòu)如圖1.6，流體冷卻后分為股，一股排出去，另一股重新返回渦流管再利用，這兩部分流體的比例由控制閥調(diào)節(jié)。實驗表明：相對于普通渦流管，這種渦流管的絕熱效率提高了約50%[33]。Guillaume[34]等人提出了雙級渦流管結(jié)構(gòu)，并通過實驗證明雙級渦流管優(yōu)于單個渦流管。有些學(xué)者另辟蹊徑，Lay[35]采用透明的有機(jī)玻璃為材料，加工了可視性的渦流管裝置，拍攝到管內(nèi)流體的湍流運動狀態(tài)。Arbuzov[36]等人也同樣采用該種方法對渦流管進(jìn)行了實驗探索，可以觀察到渦流管內(nèi)部流體流動的形態(tài)。Marlyonvskii[37]對渦流管內(nèi)部的工作介質(zhì)進(jìn)行了探索。他分別用氨、甲烷和二氧化碳進(jìn)行實驗，得出這幾種氣體也有能量分離效應(yīng)的結(jié)論。Marshall[38]混合了不同的氣體作為工作介質(zhì)，通過實驗研究，證明混合氣體和單質(zhì)氣體一樣也能產(chǎn)生能量分離效應(yīng)。Takahama[39]用水蒸氣進(jìn)行實驗，實驗表明：將由空氣得出的渦流管結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗公式用于水蒸氣同樣有效。Balmer[40]對采用的工質(zhì)為水，并進(jìn)行渦流管實驗，發(fā)現(xiàn)能量分離效應(yīng)雖然同樣存在，但分離效果相對很差。Collins[41]和Lovelace的工作介質(zhì)為兩相丙烷。通過大量的實驗分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：必須保持較高的進(jìn)氣干度，分離效果才明顯，這里他們給出的進(jìn)氣干度的臨界范圍為80%。Williams[42]主要利用多種混合工質(zhì)的影響對渦流管進(jìn)行了研究。Felete[43]提出了一種新型的渦流管裝置結(jié)構(gòu)，可以用于分離天然氣的冷凝混合物。國內(nèi)也有很多關(guān)于兩相渦流管的類似研究。西安交通大學(xué)的靳海明等人研制了兩相渦流管實驗結(jié)構(gòu)[44-46]，該裝置的特點是在熱端管上設(shè)置了液體分離殼。研究表明：相對于單相渦流管，兩相渦流管的冷熱效應(yīng)小很多。Linderstrom-lang提出由于渦流管內(nèi)具有強(qiáng)大的離心力作用，渦流管可應(yīng)用于多相混合物間的分離。他通過對O2/N2、O2/CO2、O2/He三類不同的混合物在渦流管中的分離效率進(jìn)行研究，得出混合物的分離效率在1‰～3‰之間的結(jié)論。RIU[47]主要針對渦流管的的結(jié)構(gòu)參數(shù)及操作參數(shù)進(jìn)行探索，并詳細(xì)地研究了它們對分離效率的影響。從渦流管的冷熱分離效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以后，由于其特殊的優(yōu)勢和功能，國內(nèi)外眾多學(xué)者從未停止過對其探索和研究。通過這些人不遺余力的工作，渦流管才發(fā)展到了今天?？偨Y(jié)以往的研究經(jīng)驗，可以得到以下能夠表征渦流管性能的參數(shù)[48]：制冷溫度效應(yīng)（冷端溫降）：（1.2）制熱溫度效應(yīng)（熱端溫升）：（1.3）冷流率：（1.4）壓比：（1.5）制冷量：（1.6）制熱量：（1.7）單位制冷量：（1.8）單位制熱量：（1.9）溫度效率：（1.10）絕熱效率：（1.11）制冷效率：（1.12）其中：—渦流管的進(jìn)口溫度，K；—渦流管的冷端出口溫度，K；—渦流管的熱端出口溫度，K；—渦流管的入口壓力，Pa；—渦流管的冷端出口壓力，Pa；—渦流管的熱端出口壓力，Pa；—渦流管的入口質(zhì)量流率，kg/s；—渦流管的冷端質(zhì)量流率，kg/s；—渦流管的熱端質(zhì)量流率，kg/s。渦流管的性能會受到結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)的影響，下面將對這些參數(shù)作具體的介紹。（1）噴嘴的影響噴嘴是使渦流管內(nèi)部形成旋流的重要部件，是推動渦流管內(nèi)能量裝換的主要場所，因此人們對噴嘴的研究比較廣泛深入。對于噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要分為噴嘴形式、橫截面形狀、進(jìn)氣方式、設(shè)計線形以及噴嘴個數(shù)等幾個方面。通常，把平行于渦流管的徑向上所觀察到的噴嘴截面所觀察到的噴嘴截面形狀稱為噴嘴形式，而平行于渦流管軸向的噴嘴截面的形狀則被稱為噴嘴橫截面形狀。通常情況下，噴嘴形式采用直線形和漸縮形[49]，噴嘴的橫截面形狀一般有矩形截面和圓形截面兩種，矩形截面比較常用。噴嘴進(jìn)氣方式有很多種，一般常見的是螺旋式，切向式和切向槽形式。而大多數(shù)情況下，切向進(jìn)氣式能夠取得相對較好的效果[50]。對于噴嘴設(shè)計線形，前人也做了大量的研究，常見的有直線、圓弧線和阿基米德螺線幾種。其中多數(shù)研究表明阿基米德螺線優(yōu)于其他兩種。噴嘴個數(shù)對渦流管性能影響較大，對這方面的研究也比較多。一般認(rèn)為噴嘴數(shù)為4和6的渦流管性能較好[51]。（2）熱端管的影響熱端管是渦流管內(nèi)進(jìn)行能量分離的主要場所，其占據(jù)了渦流管的大部分空間，因此對熱端管的研究十分重要，下面將對其結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行討論：熱端管長：一般用長徑比來表征熱端管長對渦流管性能的影響。長徑比定義為熱端管長與熱端管直徑的比，一般為3~50，通常取20~40，熱端管越長，渦流管性能越高，但是這種增長趨勢會隨著管子的加長逐漸減小，當(dāng)冷流率超過0.8時，還極容易發(fā)生滯止，并且管子過長會占據(jù)較大空間[52][53]。熱端管直徑：噴嘴喉部面積與熱端管橫截面面積之比為相對面積。相對面積Ac的變化對熱端管直徑有著必然的聯(lián)系，因此在進(jìn)行研究時，要將這兩者緊密地結(jié)合起來。當(dāng)噴嘴個數(shù)不變時且入口流量一定時，相對面積越大，熱端管直徑越小[49]?？偨Y(jié)前人觀點，一種觀點認(rèn)相對面積越大，渦流管的分離性能越大，因此該種觀點傾向于大直徑的渦流管會效率較高[54]，另一種觀點則認(rèn)為渦流管的性能與冷流率關(guān)系密切，在某一冷流率的范圍內(nèi)，熱端管直徑小的渦流管性能高[55]，而超出這一范圍后，直徑大的渦流管效果好。對于相對面積，目前采用經(jīng)驗確定。壓比ε為1~5時，Ac=0.06~0.12；壓比ε為5~10時，Ac=0.06~0.08。也可以采用以下公式：（1.13）熱端管形式：熱端管主要分為直管式和錐管式兩種[56，57]。對于錐管式，一般當(dāng)錐角在2°~4°時效果最好，并且前人研究表明同等長度的熱端管，錐管式明顯好于直管式。因而采用錐形渦流管可以起到縮減渦流管的長度的作用。（3）冷端管的影響在研究冷孔板孔徑對渦流管性能的影響時，一般用冷孔板孔徑與熱端管直徑之比來表征。有研究認(rèn)為此比值存在針對制冷效應(yīng)的最優(yōu)值及針對制熱效應(yīng)的最優(yōu)值[58][59]。Hilsch經(jīng)過實驗研究，認(rèn)為此比值應(yīng)該取0.45~0.6?？偨Y(jié)前人的研究經(jīng)驗，冷端出口需要安裝擴(kuò)壓管。擴(kuò)壓管的長度一般用它與熱端管直徑的比值來確定，通常這個比值為2左右，擴(kuò)壓管錐角一般不超過。（4）阻渦器的影響安裝阻渦器能夠明顯地提高渦流管的能量分離效應(yīng)，阻渦器的應(yīng)用機(jī)理是整流，減小湍動損失，常見的渦流管阻渦器有十字形、網(wǎng)格型和葉片型。前人的實驗研究表明：葉片型的效果最好[60]。（5）冷流調(diào)節(jié)閥：渦流管的冷流流率用冷流調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)，常見有針形閥和球形閥兩種形式。前人實驗指出，一般針形閥的錐角為45°，若把針形閥旋轉(zhuǎn)90°安裝，效果比用球形閥好[58]。（6）壓力的影響壓力作為渦流管的操作條件，是影響渦流管性能的重要參數(shù)。因為出口壓力皆通入大氣壓，因此入口壓力pin是主要的研究對象。壓比不變時，渦流管的制冷效應(yīng)會隨著冷流率的增加而相應(yīng)地增加，并且在冷流率為0.4~0.6時出現(xiàn)峰值；隨著壓比的增加，該峰值對應(yīng)的冷流率也增大，即制冷效應(yīng)增加；壓比達(dá)到一定值以后，該峰值對應(yīng)的冷流率急劇下降，即制冷溫度效率下降。保持出口壓力不變，隨著進(jìn)口壓力的增加，在相同的冷流率下，渦流管的制熱效應(yīng)沒有顯著的變化，而對于同一個壓比，當(dāng)冷流率增加時，制熱效應(yīng)增加，當(dāng)冷流率減小時，制熱效應(yīng)下降。在相同的出口壓力下，隨著入口壓力的增加，單位制冷量與制冷效應(yīng)均增加，但是這種趨勢會隨著壓比的增加而減小。（7）溫度的影響控制入口溫度是一項很困難的工作，因此在前人的研究中，涉及到這方面的研究很少?？偨Y(jié)前人的研究成果，可以得出：入口溫度對渦流管性能有影響，但是很小，即渦流管的制冷、制熱效應(yīng)會隨著入口溫度的增加略有增加。（8）冷流率的影響渦流管的冷流量一般用冷流率μ表征，它是非常重要的性能參數(shù)?？偨Y(jié)以往的文獻(xiàn)，可以這樣認(rèn)為：當(dāng)冷流率μ<0.2時，由于流道內(nèi)的靜壓很低而使冷端倒吸氣體，這樣容易使熱端制冷、冷端制熱，而致使冷熱分離效應(yīng)低下；當(dāng)冷流率μ>0.8時且熱端管長度較大時，會有滯止現(xiàn)象產(chǎn)生，從而破壞冷熱分離效果；當(dāng)0.6<μ<0.8時能獲得最大的制冷效率和單位制冷量，而當(dāng)0.3<μ<0.5時能獲得最大的制冷效應(yīng)，而制熱效應(yīng)則隨著冷流率增加而增加[48]。1.2.3渦流管數(shù)值計算的研究數(shù)值模擬分析是探索渦流管分離機(jī)理的一個重要手段。計算流體力學(xué)的發(fā)展和各種CFD軟件的出現(xiàn)，為描述渦流管內(nèi)的流場與能量分離提供了新的途徑。用數(shù)值模擬手段可以形象地揭示內(nèi)部流場和能量分離現(xiàn)象，這樣可以彌補測試手段的不可視性且檢測范圍受限制的不足，并且數(shù)值模擬計算具有研究周期短、耗費資金少等優(yōu)點，因而成為研究渦流管的必不可少的方法[61]。Upendra等人[62]用STAR-CD軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬，電腦的硬件條件為P4，2.4GHZ，1GBRAM。渦流管的熱端管直徑為12mm，冷孔板直徑取5mm，6mm，7mm和7.5mm四種形式，熱端管的長度則取為熱端管直徑的10~35倍。通過模擬分別對漸近線型和直線型的噴嘴形式，圓型和矩形橫截面形狀，以及噴嘴個數(shù)為1，2，6的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了數(shù)值分析。模型采用的是RNGk-ε模型，模擬工質(zhì)為定?？蓧嚎s氣體，采用壓力入口和壓力出口的邊界條件，進(jìn)口溫度為300K，進(jìn)口壓力為0.5422MPa，冷端出口壓力為0.136MPa，通過改變熱端出口壓力來調(diào)節(jié)熱端質(zhì)量流率（壓力均采用絕壓）。模擬得到了軸向速度和徑向速度分布和沿軸向的溫度分布規(guī)律；并對渦流管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)噴嘴個數(shù)為六的漸開線型噴嘴結(jié)構(gòu)最好，冷孔板直徑為6mm時，制冷效應(yīng)最高，冷孔板直徑為7mm時制熱效應(yīng)最高，得到了最優(yōu)長徑比以及熱氣比率隨長徑比變化規(guī)律。模擬中出現(xiàn)了二次流現(xiàn)象，對其分析發(fā)現(xiàn)二次流會使能量分離效果變差，但是二次流現(xiàn)象會隨著冷孔板直徑的增加逐漸消除，能量分離效果變好。Frohlingsdorff[63]以Bruun[64]的實驗裝置及結(jié)果為模擬比較對象進(jìn)行二維模擬。采用的物理模型結(jié)構(gòu)為：熱端管直徑為94mm，熱端管長度為520mm，冷端孔板孔徑為35mm，噴嘴個數(shù)為4，入口橫截面積為363mm2，質(zhì)量流量為0.12kg/s。采用入口粘度修正的k-ε湍流模型，邊界條件為：入口溫度為294K，入口壓力為0.2MPa（絕對壓力），冷流率為0.23。得到了徑向、軸向及切向速度沿半徑變化的分布規(guī)律。Pongjet[65]通過對順流型渦流管進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，并采用了RSM模型和RNGk-ε模型進(jìn)行對比分析，得出了RSM模型更適合渦流旋轉(zhuǎn)運動的模擬的結(jié)論。在國內(nèi)，曹永[66]和周彤[67]等人也取得了相似的成果。王朋濤和周少偉[47]等人采用Realizablek-湍流模型對渦流管內(nèi)部流動進(jìn)行了數(shù)值模擬，對渦流管內(nèi)部流場的循環(huán)流特性進(jìn)行詳細(xì)分析，得到了徑向、軸向與切向的速度分布規(guī)律，并與實驗結(jié)果進(jìn)行對比。為了與前人的實測結(jié)果進(jìn)行比較，他們采用了量綱分析的方法，從而為數(shù)值模擬提供了更可靠的驗證方法。數(shù)值分析表明，在流場內(nèi)部存在著內(nèi)旋流、外旋流以及循環(huán)流。循環(huán)流指的是流體介質(zhì)在不斷更替的流動，而不是流體微團(tuán)不變的往復(fù)運動，渦流管的能量分離效應(yīng)即是由該運動引起的。表1.1渦流管數(shù)值模擬參數(shù)匯總Tab.1.1Theparameterssummaryofnumericalsimulation研究者物理模型介質(zhì)湍流模型Unger二維軸對稱可壓縮氣體k-εAljuwayhel二維軸對稱不可壓縮氣體RNGk-εBehera1/6三維模型可壓縮氣體RNGk-εFarouk二維軸對稱可壓縮氣體LES周少偉三維模型可壓縮氣體Realizablek-ε總結(jié)前人數(shù)值分析的研究成果，渦流管內(nèi)的流體流動呈現(xiàn)出復(fù)雜的湍流狀態(tài)。通過對渦流管進(jìn)行三維數(shù)值模擬，可以發(fā)現(xiàn)，在渦流管內(nèi)部同時存在準(zhǔn)自由渦與準(zhǔn)強(qiáng)制渦運動；從徑向與軸向運動的合成來看，有循環(huán)流的存在；從軸向與切向運動的合成來看，可分為內(nèi)旋流與外旋流；而從切向與徑向的綜合流動來看，又有螺旋流存在。內(nèi)外旋氣流以循環(huán)渦流的形式通過內(nèi)外旋氣流的分界面不斷進(jìn)行質(zhì)量和能量交換。對渦流管的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，能夠有效地避免渦流管中的循環(huán)流。對渦流管進(jìn)行數(shù)值分析時，所需要的軟硬件條件一般需要滿足：高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分；通常采用Fluent軟件的基于密度的求解器，采用的湍流模型為Realizablek-ε模型，流動方程為精度較高的二階迎風(fēng)差分格式，湍流方程為三階精度的Quick差分格式[68]。對渦流管的研究發(fā)展到了今天，數(shù)值模擬手段越來越受到重視，但是由于渦流管具有十分復(fù)雜的內(nèi)部流場和傳熱情況，對于其模型的確定有很大爭議。目前，渦流管的模擬主要還是使用RSM模型。隨著數(shù)值模擬和實驗研究的深入開展，渦流管理論和技術(shù)將會越來越成熟，從而更好地指導(dǎo)渦流管技術(shù)的應(yīng)用，使之更為廣泛實際地服務(wù)于人們的生產(chǎn)生活。1.2.4渦流管應(yīng)用的研究自Ranque發(fā)明渦流管以來，渦流管以其獨特優(yōu)點被應(yīng)用到很多領(lǐng)域。渦流管的優(yōu)點很多：結(jié)構(gòu)簡單、占用空間小；無運動部件，無需維護(hù)，壽命長[69]；在制冷時無需添加任何冷媒，無需耗電，節(jié)能；操作方便，運行安全可靠；適應(yīng)性強(qiáng)，操作參數(shù)可變性大，對外界環(huán)境要求低；造價低廉，經(jīng)濟(jì)效益高。渦流管還具有制冷、制熱、抽真空、分離等多種功能。由于具有以上各種優(yōu)勢，渦流管的應(yīng)用前景十分廣闊。渦流管現(xiàn)今已在機(jī)械、生物、航空和石化等多個領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。由于渦流管具有很強(qiáng)的分離能力，已被應(yīng)用到天然氣工業(yè)中，是石化行業(yè)不可或缺的重要設(shè)備。從以上所述可知，渦流管有眾多無法替代的優(yōu)點，然而它也有著明顯的不足。目前制約其發(fā)展的便是其地下的制冷效率和單位制冷量，因此在應(yīng)用上受到了一定的限制。它的制冷系數(shù)COP一般只有0.044～0.12，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如空氣制冷循環(huán)。因此眾學(xué)者數(shù)年來不斷進(jìn)行研究，皆是為了優(yōu)化渦流管參數(shù)以提高其性能。很顯然，作為一個制冷裝置，渦流管在效率上處于劣勢，但在某些特殊場合，渦流管卻充分發(fā)揮了不可忽視的作用。因為，在有些場合，效率并不是評價經(jīng)濟(jì)價值的決定性的指標(biāo)。由于渦流管的處理量小，因此它可以再以下的場合得到長足的發(fā)展：（1）需要的空調(diào)的體積很??；（2）局部需冷卻到低溫（－20～40℃）；（3）有剩余的壓縮氣源；（4）電力無法利用或不希望被使用；（5）要求可攜帶、輕便的冷卻系統(tǒng)[70]。雖然目前的研究多數(shù)是針對渦流管的制冷性能，但是其制熱性能其實也有很大的實用價值。例如渦流管的制熱效應(yīng)可以很好地應(yīng)用于天然氣輸配調(diào)壓系統(tǒng)，既節(jié)能又環(huán)保。因為在輸送過程中，它可以避免由于壓降的作用能夠產(chǎn)生冷凝的現(xiàn)象，而渦流管通過產(chǎn)生的熱能進(jìn)行自加熱，從而不用采用其他辦法加熱，節(jié)省能耗[48]。由于渦流管的特殊的應(yīng)用價值，世界上許多國家的科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)和公司均投入了大量的人力和物力對其進(jìn)行實驗和理論研究[53]。二十世紀(jì)八十年代，國內(nèi)對渦流管的研究也初露端倪，隨著國內(nèi)各個高校和科研機(jī)構(gòu)先后開展了渦流管課題，渦流管的研究蓬勃發(fā)展起來。迄今，渦流管已經(jīng)被廣泛地引用于各行各業(yè)。科研：材料測試，熱膨脹測試，溫度計的標(biāo)定，恒溫器，熱電偶的冷結(jié)點恒溫，低溫渦旋分離器等；工業(yè)：機(jī)件和工具的冷卻，靈巧型的空調(diào)裝置，小型制冷器，輕便式的換熱器，可移動式氣體調(diào)節(jié)裝置等；航空：精密電子器件的冷卻，航天飛船的渦旋調(diào)節(jié)裝置，去冰等；化學(xué)：輕烴的回收，天然氣的分離，加熱或冷卻過程等[71]。渦流管技術(shù)對推動天然氣集輸和處理技術(shù)的發(fā)展起著不可小視的作用。在國外，渦流管在化學(xué)方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在輕烴回收方面。在國內(nèi)，該種技術(shù)還處于研究階段。國外渦流管在天然氣工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀表明，對于天然氣的分離和輕烴回收等領(lǐng)域，渦流管技術(shù)能夠提高社會經(jīng)濟(jì)效益，起到節(jié)能減耗的作用，因此它的應(yīng)用有著很廣闊的發(fā)展前景。渦流管的廣泛應(yīng)用與其應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步的拓展驅(qū)動了國內(nèi)外對渦流管的結(jié)構(gòu)形式的探索和研究。但是目前的多數(shù)研究均是針對普通的單路渦流管機(jī)構(gòu)，而對雙回路渦流管的研究相對比較少[72]。但是近年來，國內(nèi)外對雙回路渦流管的研究也逐漸開展起來，結(jié)果表明其具有相對較高的分離性能。本文將對繼續(xù)這方面的研究，自行設(shè)計了一套錐形雙回路渦流管裝置，并對其進(jìn)行數(shù)值模擬和實驗分析。1.3本文研究內(nèi)容簡介由于效率較低下制約著渦流管的廣泛應(yīng)用，因此需要對渦流管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。同時，渦流管內(nèi)部場的分布情況，以及哪些因素會對能量分離產(chǎn)生影響等也是渦流管研究的重要方向。如何改變渦流管的結(jié)構(gòu)，使其制冷效率進(jìn)一步提高，是目前面臨的新課題。錐形雙回路渦流管是一種不同于傳統(tǒng)單路渦流管的新型結(jié)構(gòu)，這種渦流管的特點是熱端管為錐形結(jié)構(gòu)，并在熱端出口處附加一個入口，達(dá)到最大程度地提高制冷效率的目的。本文以錐形雙回路渦流管為研究對象，對一定處理量下的渦流管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，找到最優(yōu)的熱端管和附加入口結(jié)構(gòu)，并探明這種渦流管內(nèi)的流動狀態(tài)和溫度分布規(guī)律。基于上述目的，本文工作主要針對以下內(nèi)容展開：（1）結(jié)合機(jī)械加工的特點完成錐形雙回路渦流管的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并進(jìn)行加工，搭建了實驗臺，制定了具體的實驗方案。（2）建立錐形雙回路渦流管的數(shù)學(xué)模型，采用Gambit軟件進(jìn)行建模，采用Fluent軟件對模型進(jìn)行分析預(yù)測，對渦流管的內(nèi)部壓力場、溫度場及速度場展開充分的數(shù)值仿真研究，對不同的熱端管和附加入口結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析。（3）探索提高渦流管氣體分離性能的方法。通過實驗研究，對影響渦流管分離性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對比。

2錐形雙回路渦流管結(jié)構(gòu)設(shè)計渦流管作為一種制冷裝置有著極為廣闊的應(yīng)用前景，在有特殊需求的領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。但是，由于其內(nèi)部流場的復(fù)雜性，目前對于渦流管的結(jié)構(gòu)設(shè)計和開發(fā)存在很多未知因素，由于其分離機(jī)理尚不明確，很多時候為其設(shè)計和研究尚需借鑒文獻(xiàn)中的經(jīng)驗公式或半經(jīng)驗公式。因此對于渦流管分離機(jī)理的研究以及對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)化研究都對提高其性能有著重要的意義。為了充分提高渦流管的能量分離效果，本文提出一種錐形雙回路渦流管裝置。本章將對錐形雙回路渦流管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體的設(shè)計，并采用數(shù)值分析的手段對其內(nèi)部流場的流動進(jìn)行預(yù)測，并將其與實驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，從而優(yōu)化這種新型結(jié)構(gòu)。圖2.1錐形雙回路渦流管裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2.1Structuraldiagramofdesignedvortextube錐形雙回路渦流管裝置主要由噴嘴、冷端孔板、冷端管、渦流室、熱端管、阻渦器、熱端閥和熱端附加管等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。高壓氣流通過四個對稱的噴嘴，并迅速膨脹，氣體溫度降低，氣體通過噴嘴后沿切線方向高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)入渦流室。因為有冷孔板的阻擋，氣體會旋轉(zhuǎn)流向熱端管出口，與此同時，能量分離也在進(jìn)行，氣體會分離成總溫不等的兩股氣流，外層可以得到總溫較高的熱氣流，而中心部分得到總溫較低的冷氣流。在熱端管出口處，外層高溫氣流排出，而中心低溫氣流則產(chǎn)生回流，從冷端管出口排出。熱端閥的作用是調(diào)節(jié)冷流率的大小，通過旋轉(zhuǎn)熱端閥，可以控制熱端出口的橫截面積，從而控制出口流量。本文主要針對以下參數(shù)對錐形雙回路渦流管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化：熱端管長度L、錐度α，噴嘴流道結(jié)構(gòu)，熱端附加管直徑d0及阻渦器。2.1熱端管的設(shè)計在以往的對渦流管的熱端管長的研究中，都采用“長徑比”的概念。熱端管長與熱端管直徑的比值就是所謂的長徑比。對于錐形管，本文定義為錐形熱端管軸線長與熱端管入口處直徑的比值。在前人的研究中，可知錐形渦流管性能明顯好于普通渦流管，這是因為錐形渦流管隨著直徑的擴(kuò)大，渦流管湍動充分，能量分離效應(yīng)得到了強(qiáng)化，這樣能有效地減小熱端管的長度。本文將在前人研究的基礎(chǔ)上，具體研究熱端管長徑比10時的性能。本文采用“錐角”的概念來表述錐形熱端管的結(jié)構(gòu)，即錐形熱端管軸截面的兩條母線之間的夾角。本文具體研究的錐形熱端管的錐角分別為0°、4°、6°、8°，并將它們進(jìn)行比較，從而找到性能最佳的熱端管結(jié)構(gòu)。因此本文研究的熱端管形式為：入口直徑Din=20mm，錐角α=0°、4°、6°、8°。2.2噴嘴的設(shè)計2.2.1噴嘴最小矩形截面的長寬比通常當(dāng)噴嘴最小截面為矩形時，可取得最佳的制冷性能[73]。本文為了研究矩形截面形式的影響，對三種不同的截面形式進(jìn)行研究，最小截面處矩形的長寬比分別為1:2、1:1和2:1（b=2a，b=a和2b=a）。下式給出了噴嘴最小截面積與直徑D的計算（2.1）其中，F(xiàn)c為噴嘴的最小截面積，β表示相對面積，采用經(jīng)驗取值，上式可簡化為（2.2）對于直管形式的渦流管，本文中研究的熱端管直徑為D=20mm，對應(yīng)的噴嘴最小截面積為Fc=32mm2。本文主要研究噴嘴最小橫截面處矩形的長寬比a:b（渦流管軸線方向為長邊）為2:1、1:1、1:2時的渦流管性能。由于加工條件有限，由Fc=4ab算得三種噴嘴最小截面結(jié)構(gòu)圓整后為a=4mm，b=2mm；a=3mm，b=3mm；a=2mm，b2.2.2切向進(jìn)氣式，螺旋進(jìn)氣式和切向槽形進(jìn)氣是最常見的三種進(jìn)氣方式。本文選用切向進(jìn)氣的進(jìn)氣方式，因為該種進(jìn)氣方式可以保證穩(wěn)定的氣流狀態(tài)。2.2.3噴嘴是渦流管重要的結(jié)構(gòu)部件，并且對它的設(shè)計較為繁雜，主要包括流道形式、流道型線和噴嘴個數(shù)等[74-76]。通常情況下，直線形和漸縮形是較為常用的流道形式，而漸縮形的效果較好。直線、圓弧線及阿基米德螺旋線是幾種常見的噴嘴流道型線。其中各種型線對渦流管的性能影響不大，而圓弧型線便于減小能量損失。噴嘴流道個數(shù)一般為1~8個，多數(shù)文獻(xiàn)采用流道數(shù)為4的噴嘴形式。根據(jù)前人的經(jīng)驗，噴嘴成對稱形式分布可以保證進(jìn)氣的均勻性，并且在一定的噴嘴截面積的情況下，個數(shù)適中可以保證流道的截面積合適，從而減弱壁面邊界層對氣流的影響。因此本文采用4流道噴嘴。圖2.2噴嘴橫截面示意圖Fig.2.2Crosssectionofinletnozzle圖2.2所示為本文設(shè)計的噴嘴橫截面示意圖。該噴嘴為由于加工條件有限，噴嘴流道切向進(jìn)入熱端管，噴嘴的壁面皆加工成直段，噴嘴最小截面面積Fc=4ab。2.3熱端閥和附加回路的設(shè)計熱端調(diào)節(jié)閥是錐形雙回路渦流管的一個調(diào)節(jié)元件，它用于調(diào)節(jié)裝置的冷流率。通過調(diào)整熱端閥在熱端管出口處的位置，可以改變兩端出口的氣體流量比例，從而改變冷熱分離效果，本文選取結(jié)構(gòu)較為簡單的錐角為90°的錐形閥。熱端閥與渦流管的連接處采用的是細(xì)牙螺紋，這樣方便旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)并且能夠保證密封[73]。附加回路的思想是俄羅斯學(xué)者提出的不同于傳統(tǒng)渦流管的一種新型結(jié)構(gòu)。本文采用圓柱形結(jié)構(gòu)，附加回路直徑取d0=2mm，6mm，10mm，并將其與無附加管的情況進(jìn)行對比分析，找到最佳直徑范圍。本文通過細(xì)牙螺紋將附加回路與熱端閥連結(jié)，從而可以有效調(diào)節(jié)熱端流量并改變附加管路的直徑。2.4阻渦器結(jié)構(gòu)設(shè)計阻渦器的存在對渦流管性能的提高起到了不可小覷的作用。安裝阻渦器可以有效地起到整流的作用，可以減小壓力損失，縮小長徑比，對普通渦流管的積極作用已經(jīng)通過前人的研究體現(xiàn)出來，但它是否可以提高錐形雙回路渦流管的氣體分離性能還有待于研究。本文采用結(jié)構(gòu)相對簡單的十字形阻渦器，其結(jié)構(gòu)形式如下所示[53]。圖2.3十字叉形阻渦器Fig.2.3Crosssectionviewofrectifier2.5冷端孔板結(jié)構(gòu)設(shè)計冷端孔板是將冷氣流從渦流室中引出的結(jié)構(gòu)部件。冷端孔板內(nèi)徑是最重要的設(shè)計參數(shù)之一，對渦流管的特性影響很大。根據(jù)以往前人的研究，冷端孔板內(nèi)徑取dc=D/2時可得到最高的分離效率。而本文中，D=20mm，因此本文取dc=10mm。本文采用長度為24mm的冷端管，保證冷氣穩(wěn)定引出，后接擴(kuò)壓管，擴(kuò)張角度為17°

3錐形雙回路渦流管內(nèi)部流動分析3.1物理模型在構(gòu)造物理模型時，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可以劃分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和半結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格三種。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)點是可以對任意方向上的邊界進(jìn)行加密，能夠得到高質(zhì)量的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，缺點是當(dāng)實體的外形結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜時，該種方法并不適用。而非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格則可以彌補結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的不足，對于不規(guī)則的結(jié)構(gòu)實體能夠體現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)能力，但是其網(wǎng)格劃分質(zhì)量較差。對于以上兩種網(wǎng)格的優(yōu)缺點，半結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以進(jìn)行中和，它屬于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的結(jié)合，在劃分網(wǎng)格時，在模型幾何形狀規(guī)則處采用結(jié)構(gòu)化劃分，在不規(guī)則處采用非結(jié)構(gòu)化劃分，因此兼有結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)點[61]。通常生成的網(wǎng)格應(yīng)具有以下特性：貼體性、光滑性、正交性以及合理的疏密分布。Gambit是Fluent軟件中的前置處理器，它既能獨立建立幾何模型，又能提供流體區(qū)域內(nèi)面、體的網(wǎng)格劃分。Gambit軟件對于各種網(wǎng)格的劃分方便實用，因此在工程中應(yīng)用廣泛。本文中的網(wǎng)格劃分采用計算流體力學(xué)專業(yè)軟件Gambit2.2.30。由于渦流管三維立體結(jié)構(gòu)不規(guī)則，并且為多連通域，因此網(wǎng)格劃分需要區(qū)域離散化，即將整個流通區(qū)域分成幾塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，針對不同的區(qū)域采用合適的網(wǎng)格劃分方式，得出了比較規(guī)則的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。圖3.1渦流管模型簡化圖（長徑比為10）Fig.3.1Thevortextubemodel（L/D=10）本文根據(jù)四流道噴嘴的對稱性，采用周期性邊界條件進(jìn)行數(shù)值分析。只用渦流管的1/4結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化建模，圖3.1則為簡化后的幾何模型。3.2湍流模型直接數(shù)值模擬方法和非直接數(shù)值模擬方法是湍流數(shù)值計算的兩種類型。直接數(shù)值模擬不需要對湍流建立模型，對于流動的控制方程直接采用數(shù)值計算求解。而非直接數(shù)值模擬設(shè)法對湍流方程作近似和簡化處理，不直接計算湍流的脈動特性。由于直接數(shù)值模擬對軟硬件的要求很高，一般很難實現(xiàn)，因此，本文采用非直接數(shù)值模擬方法進(jìn)行模擬。目前，大渦模擬（LES），統(tǒng)計平均法和Reynold平均法是主要的三種非直接數(shù)值模擬方法。雷諾應(yīng)力模型（RSM）和大渦模擬（LES）的模擬較為準(zhǔn)確，但是對計算機(jī)內(nèi)存和CPU速度要求較高。Reynold平均法可分為雷諾應(yīng)力模型（RSM）和渦粘模型。準(zhǔn)k-ε模型，RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型是渦粘模型的兩方程模型的主要形式。由于科研條件限制，目前模擬普遍采用RNGk-ε和Realizablek-ε模型。由以往研究所知，Realizablek-ε模型能夠比較準(zhǔn)確地反映渦旋流的特性，且此模型在渦流管能量分離模擬中與實驗結(jié)果吻合較好，基于以上分析本文采用Realizablek-ε模型對渦流管能量分離效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬。3.3數(shù)值計算基本簡化假設(shè)整個渦流管內(nèi)處于一種高度湍流狀態(tài)。由于其內(nèi)部流動是一種極其復(fù)雜的渦旋流動狀態(tài)，而數(shù)值分析則需要近似簡化。本文選取從噴嘴入口到冷端和熱端出口處的整個流場作控制體進(jìn)行數(shù)值分析，并進(jìn)行以下假設(shè)：（1）管壁絕熱良好，與外界無熱交換，且內(nèi)部無熱源；（2）由于渦流管內(nèi)的氣流是通過對稱分布的四個噴嘴進(jìn)入的，因此渦流管內(nèi)的流動可認(rèn)為是周期為的周期性流動；（3）由于渦流管內(nèi)的氣壓波動影響較小，可認(rèn)為管內(nèi)流動為穩(wěn)定流動；（4）工作工質(zhì)為近似為可壓縮理想氣體；（5）由于流體重力相對于流體運動產(chǎn)生的離心力很小，故忽略重力影響。3.4控制方程錐形雙回路渦流管數(shù)值模擬所用到的微分控制方程包括下面幾種。（1）質(zhì)量守恒方程（3.1）（2）動量守恒方程在流體力學(xué)中，湍流流動的時均方程可用以下形式來表達(dá)：（3.2）其中，雷諾應(yīng)力用定義，因為方程并未閉合，需要引入新的湍流模型方程。本文用Realizablek-ε模型，湍動能k、耗散率ε及湍動粘度μt的關(guān)系為：（3.3）（3.4）其中：（3.5）其中，被稱為時均轉(zhuǎn)動速率張量，它是從角速度為的參考系中觀察到的。因根據(jù)前人所作的工作可知，Realizablek-ε模型對能量分離的計算是最準(zhǔn)確的[48]。該模型是渦粘模型的一種，又稱為可實現(xiàn)k-ε模型。湍動粘度計算公式中引入了與旋轉(zhuǎn)和曲率有關(guān)的內(nèi)容，對實現(xiàn)渦流管內(nèi)部旋流的模擬比較準(zhǔn)確。（3）能量方程考慮粘性耗散，則渦流管內(nèi)流場能量方程可寫為：（3.6）其中：為粘性耗散項，用以描述粘性剪切產(chǎn)生的熱能，（3.7）（3.8）其中，a的算法和具體的推導(dǎo)過程見文獻(xiàn)[78]。（4）理想氣體狀態(tài)方程（3.9）3.5數(shù)值求解方法3.5.1邊界條件主入口設(shè)置為壓力入口邊界條件，壓力p=0.3MPa（絕壓，本文模擬全部采用絕壓），入口溫度T=293K；附加入口采用與主入口相同的邊界條件。出口設(shè)置為壓力出口邊界條件，冷端出口壓力為大氣壓。本文采用周期性邊界條件，旋轉(zhuǎn)軸為渦流管軸心，周期為。由于在不同的冷氣流率下，渦流管內(nèi)的流場和溫度場分布在數(shù)值上并不相同，但是由于它們的變化情況相似且有規(guī)律可循，所以在研究不同結(jié)構(gòu)的影響時，本文使冷流率保持在0.6左右。本文通過改變熱端出口壓力來調(diào)節(jié)冷流率。3.5.2求解策略由于渦流管內(nèi)部的流動屬于高速可壓氣體的強(qiáng)旋流動，因此采用耦合隱式求解器。對于流動方程，由于要求的精度較高，因此采用二階迎風(fēng)插值格式，對于湍動能分量和湍流耗散率則采用QUICK格式。本文數(shù)值計算采用Realizablek-ε湍流模型，基于密度的耦合隱式求解器，允許壁面粘性加熱。3.6錐形雙回路渦流管的內(nèi)部流動分析結(jié)果3.6.1流場總體分析錐形雙回路渦流管內(nèi)流體的流動很有規(guī)律，其流動形式如圖3.2所示，可以看出明顯的三維螺旋運動狀態(tài)，并且氣流得到了分離。從圖中可以看到渦流管內(nèi)氣體大致走向，氣體沿靠近管壁的流場外圍旋轉(zhuǎn)并向熱端出口移動，同時到達(dá)熱端出口處一部分氣體折回，回流氣體也做繞線運動并從冷端出來，同時明顯看到外圍氣體和管中心氣體的流動方向和繞線方向相反。圖3.2錐形雙回路渦流管三維跡線圖Fig.3.23Dtracechart圖3.3錐形雙回路渦流管軸截面速度矢量圖Fig.3.3Velocityvectorchart圖3.4錐形雙回路渦流管軸截面馬赫數(shù)矢量圖Fig.3.4Machnumberchart圖3.3所示為錐形雙回路渦流管軸向切面速度矢量圖，高壓附加入口氣體進(jìn)入時能夠起到攜帶熱端出口氣體回流的作用，可以提高渦流管的冷流率。錐形雙回路渦流管軸向截面的馬赫數(shù)分布如圖3.4所示，結(jié)合速度和馬赫數(shù)這兩個矢量圖可以看出，高壓氣體在噴嘴入口處和附加入口處的流動均為聲速流動，由于氣體在噴嘴和附加入口處迅速膨脹，故可近似認(rèn)為是一絕熱膨脹過程。除了噴嘴附近，其他位置的徑向速度可以近似看作是零。對于軸向速度，可以看到一個滯止面，它即是內(nèi)旋流和外旋流的分界面，它的位置決定了渦流管中的能量分離效果。3.6.2熱端管錐角對分離性能的影響模擬中保持其他參數(shù)不變，只考察熱端管錐角的影響。下面針對錐角為0°、4°、6°和8°的熱端管進(jìn)行數(shù)值分析。（1）壓力場分析對于渦流管而言，其動力完全是來源于入口的高壓氣體。因此要研究渦流管，壓力場是需要研究的重點，因此，本文首先對壓力場進(jìn)行分析。圖3.5和圖3.6分別為無附加入口的渦流管模型靜壓分布圖和總壓分布圖。圖3.5不同熱端管結(jié)構(gòu)渦流管的軸向切面靜壓分布圖Fig.3.5Distributionofstaticpressure圖3.6不同熱端管結(jié)構(gòu)渦流管的軸向切面總壓分布圖Fig.3.6Distributionoftotalpressure由壓力分布圖可以看出，在徑向上，壓力由管心到管壁逐漸增大；在軸向上，壓力由冷端出口到熱端出口逐漸增大?？傮w看來，越靠近熱端出口，壓力的梯度分布越明顯，這就為氣體回流提供了動力。當(dāng)熱端管的錐角為4°時，渦流管內(nèi)的壓力梯度最大，這是提供流體湍流運動的根本原因，因此在4°的管子中，湍流運動發(fā)展將會最充分，而當(dāng)熱端管的錐角為8°的時候，管中的壓力幾乎不再變化，可以判斷，此種結(jié)構(gòu)不利于氣體的能量分離。（2）溫度場分析在對渦流管的流場進(jìn)行研究時，為定量地表示出渦流管的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)對其分離性能的影響，在渦流管軸向的不同位置出取8個測點，并進(jìn)行分析，測點位置如表3.1所示。表3.1實驗的測點分布Tab.3.1DistributionofmeasuringpointsNumber12345678PositionZ（mm）25150-40-80-120-160-200圖3.7不同熱端管結(jié)構(gòu)渦流管的軸向切面靜溫分布圖Fig.3.7Axialdistributionofstatictemperature圖3.8不同熱端管結(jié)構(gòu)渦流管的軸向切面總溫分布圖Fig.3.8Axialdistributionoftotaltemperature由圖3.7和3.8可以看出，在整個渦流管的流場中，溫度分離現(xiàn)象十分明顯。在徑向上，溫度沿著渦流管的中心部分向外圍部分呈現(xiàn)了逐漸升高的現(xiàn)象；在軸向上，中心部分的溫度沿渦流管管長方向逐漸減小，到達(dá)冷端出口處，溫度達(dá)到最低。由于內(nèi)層與外層氣流的相互作用，內(nèi)層的能量減少，越靠近中心能量減得越多，而外層的能量增大。對于同一個渦流管，溫度由噴嘴到熱端出口處逐漸升高，由管心到管壁逐漸升高，這于前人的實驗現(xiàn)象相吻合。錐形管中的流場發(fā)展程度明顯好于直管。因為錐管有更大的空間供氣體分離，使湍流發(fā)展更充分。通過對上述不同錐角的熱端管進(jìn)行比較分析，可以看出4°錐管的冷熱分離效果最明顯，而6°和8°的錐管冷熱分離效果并不好。這是因為湍流發(fā)展到最后由于空間過大，耗散增加，而分離動力減小，這就使得原本已經(jīng)分離的冷熱氣流重新混合從而影響氣體分離效果?？倻胤蛛x即總能量分離現(xiàn)象是渦流管的特征現(xiàn)象。下面將給出在冷氣流率約為0.6的條件下的不同熱端管結(jié)構(gòu)的總溫溫差的曲線圖。圖3.9是4°錐管的不同測點的總溫溫差曲線圖，該圖能夠更加明顯的看出渦流管內(nèi)部溫度的變化趨勢。圖3.9錐管不同測點沿徑向的總溫溫差曲線圖Fig.3.9Radialdistributionoftotaltemperaturedifference根據(jù)各點總溫溫差曲線圖可以得到，在渦流管的同一橫截面上，總溫隨著半徑的增大而增大；在同一軸截面上，總溫從冷端出口到熱端出口越來越高；模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)相比有一定偏差，但是總體趨勢一致，即總溫溫差沿半徑分布的線型基本一致。由測點1測點2可得出結(jié)論，在制冷效果方面，4°錐形管最好，而6°和8°的這冷效應(yīng)較直管反而降低。由其他測點可知，4°錐管能夠獲得最好的制熱效應(yīng)，而6°和8°的錐管的溫差曲線發(fā)展平緩，即制熱效果與直管略有降低?？梢姡瑹岫斯苠F角過大，對渦流管的冷熱分離效果的影響反而變差。（a）測點1處總溫溫差沿半徑分布（b）測點2處總溫溫差沿半徑分布（c）測點3處總溫溫差沿半徑分布（d）測點4處總溫溫差沿半徑分布（e）測點5處總溫溫差沿半徑分布（f）測點6處總溫溫差沿半徑分布（g）測點7處總溫溫差沿半徑分布（h）測點8處總溫溫差沿半徑分布圖3.10不同的熱端管結(jié)構(gòu)的總溫溫差徑向分布圖Fig.3.10Radialdistributionoftotaltemperaturedifference由以上模擬分析可得，熱端管的錐角在某一范圍內(nèi)可以改善渦流管的冷熱分離性能。但是錐角過大時，反而會使渦流管的分離性能降低。3.6.3噴嘴最小截面形狀本文主要研究三種不同的噴嘴，其最小矩形橫截面積的長寬比分別為2:1、1:1和1:2。對于1:1的噴嘴，壓力變化是最不明顯的，而2:1的噴嘴壓力梯度是最大的。因此由壓力分布圖，我們可以初步判斷，2:1結(jié)構(gòu)的噴嘴是最有利于分離的，而1:1結(jié)構(gòu)的噴嘴分離效果最差。圖3.11不同噴嘴結(jié)構(gòu)渦流管的軸向切面靜壓分布圖Fig.3.11Distributionofstaticpressure圖3.12不同噴嘴結(jié)構(gòu)渦流管的軸向切面總壓分布圖Fig.3.12Distributionoftotalpressure圖3.13不同噴嘴結(jié)構(gòu)渦流管的軸向切面靜溫分布圖Fig.3.13Axialdistributionofstatictemperature圖3.14不同噴嘴結(jié)構(gòu)渦流管的軸向切面總溫分布圖Fig.3.14Axialdistributionoftotaltemperature由以上的圖3.13和3.14溫度分布圖可以看出，不同結(jié)構(gòu)的噴嘴的冷熱分離效果不同。對于2:1和1:2結(jié)構(gòu)的噴嘴，制熱效果明顯好于1:1的噴嘴。為了定量分析這三種噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，本文分析了總溫數(shù)據(jù)，并繪出總溫曲線圖，如圖3.15所示。可以看出，噴嘴最小截面的長寬比為2:1的噴嘴的分離性能明顯好于其他兩種噴嘴。而1:2型的噴嘴制冷效果是最差的，1:1型的噴嘴制熱效果最差。因此，本文在進(jìn)行其他數(shù)值分析時均采用的是2:1型的渦流管噴嘴。（a）測點1處總溫溫差沿半徑分布（b）測點2處總溫溫差沿半徑分布（c）測點3處總溫溫差沿半徑分布（d）測點4處總溫溫差沿半徑分布（e）測點5處總溫溫差沿半徑分布（f）測點6處總溫溫差沿半徑分布（g）測點7處總溫溫差沿半徑分布（h）測點8處總溫溫差沿半徑分布圖3.15不同噴嘴結(jié)構(gòu)總溫溫差徑向分布圖Fig.3.15Radialdistributionoftotaltemperaturedifference3.6.4附加回路直徑對冷熱分離的影響由壓力分布圖可知,入口直徑為2mm的渦流管內(nèi)壓力梯度分布明顯，從熱端到冷端的壓力降比較大，而附加入口直徑越大，內(nèi)部壓力場分布越不均勻，壓力降越小，因此由上圖大致可以看出，附加入口直徑為2mm的結(jié)構(gòu)分離能力更好。而入口直徑為10mm的壓力，冷端總壓比熱端高，因此將不能取得好的分離效果，并且會影響冷氣的回流。圖3.16不同附加入口渦流管的軸向切面靜壓分布圖Fig.3.16Axialdistributionofstaticpressure圖3.17不同附加入口渦流管的軸向切面總壓分布圖Fig.3.17Axialdistributionoftotalpressure圖3.18不同附加入口渦流管的軸向切面靜溫分布圖Fig.3.18Axialdistributionofstatictemperature圖3.19不同附加入口渦流管的軸向切面總溫分布圖Fig.3.19Axialdistributionoftotaltemperature由總溫的分布圖3.19可以看出，入口為2mm的結(jié)構(gòu)冷熱分離最為明顯，其制冷效應(yīng)和制熱效應(yīng)皆遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于其他兩種結(jié)構(gòu)。而10mm的結(jié)構(gòu)基本上沒有冷熱分離的跡象。從溫度曲線圖3.20中，我們可以看出附加管直徑為2mm的結(jié)構(gòu)熱端出口處最高溫度為309K，冷端出口處最低溫度為285K，與入口溫度相比，相當(dāng)于熱端升高了16K，冷端降低了8K，最大冷熱溫差達(dá)24K。這與無附加入口情況相差不多，因此模擬的結(jié)果是增加附加入口對制冷效應(yīng)和制熱效應(yīng)的影響并不明顯。（a）測點1處總溫溫差沿半徑分布（b）測點2處總溫溫差沿半徑分布（c）測點3處總溫溫差沿半徑分布（d）測點4處總溫溫差沿半徑分布（e）測點5處總溫溫差沿半徑分布（f）測點6處總溫溫差沿半徑分布（g）測點7處總溫溫差沿半徑分布（h）測點8處總溫溫差沿半徑分布圖3.20不同附加回路結(jié)構(gòu)總溫溫差徑向分布圖Fig.3.20Radialdistributionoftotaltemperaturedifference3.7錐形雙回路渦流管操作參數(shù)優(yōu)化上一節(jié)主要是對錐形雙回路渦流管的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行的研究，在本節(jié)中，將主要針對影響渦流管性能的某些操作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，因為很多參數(shù)對渦流管性能的影響并不是單調(diào)的，而是存在最優(yōu)值。本節(jié)將基于3.6節(jié)的模擬結(jié)果，進(jìn)一步對錐形雙回路渦流管的冷流率和附加入口壓力等參數(shù)進(jìn)行模擬優(yōu)化，旨在得到各個參數(shù)的最佳匹配關(guān)系。3.7.1冷流率在渦流管的各個性能參數(shù)中，冷流率無疑是最重要的參數(shù)之一。在數(shù)值模擬中，通過設(shè)置不同的熱端出口壓力來控制冷流率的大小。3.5節(jié)中主要分析的是不同裝置結(jié)構(gòu)對錐形雙回路渦流管的制冷效應(yīng)和制熱效應(yīng)的影響，而衡量渦流管性能的指標(biāo)有多種，因此本節(jié)將研究特定結(jié)構(gòu)渦流管的制冷效應(yīng)，制熱效應(yīng)，溫度效率，絕熱效率，單位制冷量及制冷效率，并給出它們隨著冷流率變化的曲線。本節(jié)主要針對熱端管錐角為4°，噴嘴最小矩形橫截面長寬比為2:1，附加入口直徑為2mm的渦流管的模型進(jìn)行模擬析。圖3.21冷流率對制冷效應(yīng)的影響圖3.22冷流率對制熱效應(yīng)的影響Fig.3.21EffectofcoolmassflowrateonFig.3.22Effectofcoolmassflowrateontemperaturedecreasetemperatureincrease圖3.23冷流率對溫度效率的影響圖3.24冷流率對絕熱效率的影響Fig.3.23EffectofcoolmassflowrateonFig.3.24Effectofcoolmassflowrateontemperatureefficiencyadiabaticefficiency圖3.25冷流率對單位制冷量的影響圖3.26冷流率對制冷效率的影響Fig.3.25EffectofcoolmassflowrateonFig.3.26Effectofcoolmassflowrateonunitrefrigerationamountrefrigerationefficiency由上面的錐形雙回路渦流管的分離性能曲線可以看出，當(dāng)冷流率μ在0.1~0.3時，可以取得最大的制冷效應(yīng)和溫度效率；當(dāng)冷流率μ增大時，制熱效應(yīng)也隨著增大，而在0.75以后呈現(xiàn)了顯著增長趨勢并取得最大的制熱效應(yīng)；當(dāng)冷流率μ在0.7~0.8時，可以取得最大的絕熱效率、單位制冷量和制冷效率。其中最大制冷效應(yīng)的取值范圍與前人研究的普通渦流管的范圍相比稍稍偏小。3.7.2在實際工程中，附加入口不能與主入口獨立存在，而是與主入口構(gòu)成分支結(jié)構(gòu)，由同一個壓力源提供入口氣體，從而使整個渦流管分離系統(tǒng)形成回路。由于以上工程條件的限制，附加入口壓力不可能大于主入口的壓力，本節(jié)針對附加入口壓力為0.15MPa和0.2MPa的流場進(jìn)行分析，并與3.5節(jié)的0.3MPa的操作條件進(jìn)行對比分析。其中，模型仍是熱端管的錐角為4°，附加入口直徑為2mm的結(jié)構(gòu)。由以上下壓力分布圖可知，三種附加入口壓力情況下的壓力場的分布基本一樣，因此很難分辨出那種條件下的分離效果好。圖3.27不同附加入口壓力的渦流管靜壓分布圖Fig.3.27Axialdistributionofstaticpressure圖3.28不同附加入口壓力的渦流管總壓分布圖Fig.3.28Axialdistributionofstaticpressure圖3.29不同附加入口壓力的渦流管靜溫分布圖Fig.3.29Axialdistributionofstaticpressure圖3.30不同附加入口壓力的渦流管總溫分布圖Fig.3.30Axialdistributionofstaticpressure由上面的圖3.29和3.30的溫度分布圖可以看出，三種附加入口壓力條件下的錐形雙回路渦流管的溫度分布基本一樣，其中附加入口壓力為0.15MPa的情況冷熱分離效果稍微好于其他兩種情況。由圖3.31的曲線分布可以清晰地看出，附加入口壓力的大小對冷熱分離影響不大，其中當(dāng)附加入口壓力為0.15MPa時，渦流管的冷端溫度略低，而熱端溫度稍高。這與實驗的結(jié)果呈現(xiàn)了相反的趨勢。由于渦流管內(nèi)部流場湍流狀態(tài)復(fù)雜，而現(xiàn)今的數(shù)值手段不能準(zhǔn)確地模擬實際情況，并且增加了附加入口，使內(nèi)部流場更加復(fù)雜化，數(shù)值模擬中的模型方程都是將實際的湍流狀況盡量簡化而進(jìn)行計算的，因此對內(nèi)部流場中的能量變化并不能準(zhǔn)確地分析。由此可見，數(shù)值模擬手段應(yīng)需要不斷地發(fā)展與完善。（a）測點1處總溫溫差沿半徑分布（b）測點2處總溫溫差沿半徑分布（a）測點3處總溫溫差沿半徑分布（b）測點4處總溫溫差沿半徑分布（a）測點5處總溫溫差沿半徑分布（b）測點6處總溫溫差沿半徑分布（a）測點7處總溫溫差沿半徑分布（b）測點8處總溫溫差沿半徑分布圖3.31不同附加回路壓力總溫溫差徑向分布圖Fig.3.31Radialdistributionoftotaltemperaturedifference

4錐形雙回路渦流管實驗結(jié)果分析為了驗證數(shù)值分析的結(jié)果，得到渦流管的各個參數(shù)的優(yōu)化值，本文通過對渦流管的實驗測試，獲得渦流管的制冷效應(yīng)、制熱效應(yīng)、溫度效率、絕熱效率以及制冷效率等性能參數(shù)與渦流管的結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)之間的相互影響關(guān)系，進(jìn)而提出提高渦流管性能的途徑。本章將介紹渦流管實驗的流程，并將實驗的結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對比分析，主要實驗的參數(shù)對象如下所示：（1）分析噴嘴最小橫截面長寬比（1:2、1:1、2:1）對渦流管性能的影響；（2）分析熱端管的錐角（0°、4°、6°、8°）對渦流管性能的影響；（3）研究附加管直徑（2mm、6mm、10mm）對渦流管性能的影響；（4）分析主入口壓力（0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.25Mpa、0.3Mpa），本章中壓力均為表壓，對渦流管性能的影響；（5）分析附加入口壓力（0.025MPa、0.05MPa、0.1MP）對渦流管性能的影響；（7）加裝阻渦器對渦流管性能的影響；（8）尋求最佳操作參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)的匹配方式。4.1錐形雙回路渦流管實驗系統(tǒng)的設(shè)計4.1.1實驗裝置及流程錐形雙回路渦流管的裝置實物圖如下所示：圖4.1錐形雙回路渦流管實驗裝置實物圖Fig.4.1Physicalphotooftheconicaldouble-circuitvortextube錐形雙回路渦流管的實驗流程圖如下所示：1）壓縮機(jī)2）儲氣瓶3）孔板流量計4）渦流管5）氣體浮子流量計圖4.2錐形雙回路渦流管實驗裝置流程圖Fig.4.2Flowdiagramoftheconicaldouble-circuitvortextube4.1.2實驗前，對不同冷流率對應(yīng)的熱端流量進(jìn)行估算，方便控制調(diào)節(jié)熱端流量計的調(diào)節(jié)范圍。假設(shè)某一適宜的入口溫度及熱端出口溫度，表前壓力一定時，可以得到冷流率與體積流量的對應(yīng)關(guān)系。這樣，實驗時根據(jù)流量計的前方壓力值，調(diào)節(jié)渦流管的熱端閥，得到所需要的熱端流量值。按照圖4.1安裝好錐形雙回路渦流管裝置，連接好各處接頭、管路以及熱電偶，開啟流量計。首先旋轉(zhuǎn)熱端閥到一定位置，然后緩慢調(diào)節(jié)雙回路渦流管的主入口壓力和附加入口壓力到所需要的值。記錄數(shù)據(jù)時，要觀察各溫度計、流量計和壓力計，當(dāng)示數(shù)穩(wěn)定后，記錄溫度計、壓力表及流量計的示值。重新調(diào)整調(diào)節(jié)閥開度，重復(fù)以上操作，便可得到一組壓比固定的實驗數(shù)據(jù)。改變渦流管入口壓力，重復(fù)以上操作，便可得到不同壓比下的實驗數(shù)據(jù)。同理，改變附加入口壓力，也可得到不同附加入口下的實驗數(shù)據(jù)。綜上所述，實驗步驟如下：（1）確定進(jìn)出口的壓比，通過壓比計算總流量；（2）根據(jù)經(jīng)驗估算熱端溫度，通過冷流率估算熱端流量計的取值范圍；（3）通過熱端調(diào)節(jié)閥進(jìn)行熱端流量調(diào)節(jié)，并記錄不同熱端流量下的實驗數(shù)據(jù)。4.1.3實驗數(shù)據(jù)測算方法本試驗中，對于入口總流量的測量采用孔板流量計，孔板流量計的流量通過計算得出。設(shè)孔板前壓力為p（單位MPa），孔板前的溫度為T（單位K），孔徑的最小截面積為A（單位），則流量為（4.1）試驗介質(zhì)為干空氣，上式可以簡化為（4.2）在本實驗中，使用孔板流量計的最小孔徑為4mm，可計算得出最小橫截面積為，代入以上公式，可算得（4.3）本試驗中所有測壓處均采用精密壓力表（精度0.1）測量，所有測溫處均采用熱電阻傳感器測量，并直接在溫度顯示儀上讀出示數(shù)并記錄。實驗數(shù)據(jù)處理時冷流率由入口總流量和熱端出口流量計算得出。設(shè)Qm為質(zhì)量流量（單位kg/h），QVN為標(biāo)準(zhǔn)狀況（、1atm）下的體積流量（單位m3/h），QV為流量計的示數(shù)（單位m3/h），p為該處的壓力（單位MPa），T為該處氣流的溫度（單位K），可有以下公式（4.4）其中：干空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的密度為1.2043（單位）。在試驗中，由于熱端氣流經(jīng)過流量計后直接通入大氣，可認(rèn)為熱端壓力為大氣壓強(qiáng)，這時，上式可以簡化為（4.5）實驗前，需要根據(jù)冷流率和渦流管流量估算熱端流量。估計熱端溫度（單位K），則有。本實驗中熱端出口處的浮子流量計量程為120m3/h，并且用204.2結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響本文所有實驗均是對熱端管入口直徑為20mm，長徑比為10的渦流管進(jìn)行考察。4.2.1噴嘴結(jié)構(gòu)的影響本次實驗分別采用了最小矩形截面的長寬比為1:2、1:1和2:1的四流道噴嘴進(jìn)行試驗分析。本實驗采用熱端管的錐角為4°，安裝阻渦器且無附加入口的裝置結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行實驗。實驗的入口表壓為0.2Mpa。得到渦流管性能隨著冷流率的變化曲線如下。圖4.3噴嘴結(jié)構(gòu)對制冷效應(yīng)的影響圖4.4噴嘴結(jié)構(gòu)對制熱效應(yīng)的影響Fig.4.3EffectofnozzleformontemperatureFig.4.4Effectofnozzleformontemperaturedecreaseincrease圖4.5噴嘴結(jié)構(gòu)對溫度效率的影響圖4.6噴嘴結(jié)構(gòu)對絕熱效率的影響Fig.4.5EffectofnozzleformonFig.4.6EffectofnozzleformonTemperatureefficiencyadiabaticefficiency圖4.7噴嘴結(jié)構(gòu)對單位制冷量的影響圖4.8噴嘴結(jié)構(gòu)對制冷效率的影響Fig.4.7EffectofnozzleformonFig.4.8Effectofnozzleformonunitrefrigerationamountrefrigerationefficiency可以看出，噴嘴最小截面的長寬比為2:1和1:1的噴嘴的渦流管各個性能指標(biāo)顯然優(yōu)于1:2型噴嘴，2:1的噴嘴的制熱性能是最好的。因為軸向深度較深時，氣體經(jīng)噴嘴加速后進(jìn)入?yún)^(qū)域較大，更有利于旋流。實驗結(jié)果與模擬結(jié)果一致，即對于2:1型的噴嘴能取得更高的分離性能。因此，本文以后實驗均采用2:1型噴嘴結(jié)構(gòu)。4.2.2錐形熱端管圖4.9不同熱端管錐角對制冷效應(yīng)的影響圖4.10不同熱端管錐角對制熱效應(yīng)的影響Fig.4.9EffectofconeangleofhotendtubeFig.4.10Effectofconeangleofhotendtubeontemperaturedecreaseontemperatureincrease圖4.11不同熱端管錐角對溫度效率的影響圖4.12不同熱端管錐角對絕熱效率的影響Fig.4.11EffectofconeangleofhotendtubeFig.4.12EffectofconeangleofhotendtubeonTemperatureefficiencyonadiabaticefficiency圖4.13不同熱端管錐角對單位制冷量的影響圖4.14不同熱端管錐角對制冷效率的影響Fig.4.13EffectofconeangleofhotendtubeFig.4.14Effectofconeangleofhotendtubeonunitrefrigerationamountonrefrigerationefficiency本節(jié)針對無附加入口狀態(tài)下的直管，錐角為4°，6°和8°的熱端管進(jìn)行試驗，找到性能最佳的角度，對熱端管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。本實驗帶阻渦器且無附加入口，噴嘴為2：1型。實驗的入口壓力為0.2Mpa（表壓）。得到各個渦流管性能參數(shù)隨著冷流率的變化規(guī)律如圖4.9~4.14所示。從試驗結(jié)果分析可以得出渦流管性能最優(yōu)的熱端管的錐角為4°，而直管的性能最差。原因是在錐形渦流管中，會產(chǎn)生擴(kuò)壓，氣體速度得到了提高，因此湍流強(qiáng)度加大，而能量分離效應(yīng)會因為湍動效果增強(qiáng)而被強(qiáng)化，但是當(dāng)錐角過大時，由于湍流區(qū)域加大，能量損失加大，反而會使渦流管的性能變差。俄羅斯的Piralishavili等人的研究的是入口直徑為30mm的渦流管結(jié)構(gòu)，而它實驗結(jié)果表明當(dāng)熱端管的錐角為6°時為最佳[31]。這是因為在處理量較大的情況下，需要的渦流管內(nèi)部的空間就大，即錐角較大才可滿足。對于本文，在以后的分析中，只針對4°的渦流管進(jìn)行分析。由渦流管的分離性能曲線可以看出，直管與錐形管的曲線變化趨勢基本相同，即當(dāng)冷流率μ在0.3~0.4時，可以取得最大的制冷效應(yīng)和溫度效率；冷流率μ在0.5~0.6之間時，能取得最大的制熱效應(yīng)；當(dāng)冷流率μ在0.7~0.8時，可以取得最大的絕熱效率、單位制冷量和制冷效率。這與前人研究的普通直管式渦流管的取值范圍相符合。由此可見，錐形渦流管與直管式渦流管的性能參數(shù)隨著冷流率變化的趨勢是一樣的。對比實驗和數(shù)值模擬的結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，兩者性能參數(shù)的變化趨勢基本相同，但是從制冷效應(yīng)和制熱效應(yīng)看，數(shù)值差異較大，即模擬的效果并不如實驗的好。因此，我們目前可以利用數(shù)值分析的手段來分析渦流管內(nèi)部場得到各個參數(shù)變化的大致趨勢。4.2.3附加管回路結(jié)構(gòu)附加回路的影響是本文考察的重點，本節(jié)分別對直徑為2mm，6mm和10mm的附加入口進(jìn)行實驗，并與無附加入口裝置的實驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，從而找到最優(yōu)的附加回路直徑范圍。實驗采用有阻渦結(jié)構(gòu)，入口壓力和附加入口壓力采用0.1MPa和0.2MPa（表壓）兩種操作參數(shù)進(jìn)行研究，并進(jìn)行對比分析。（1）入口壓力和附加入口壓力均為0.2MPa圖4.15不同附加入口直徑對制冷效應(yīng)的影響圖4.16不同附加入口直徑對制熱效應(yīng)的影響Fig.4.15EffectofdiameterofadditionalFig.4.16Effectofdiameterofadditionalentranceontemperaturedecreaseentranceontemperatureincrease圖4.17不同附加入口直徑對溫度效率的影響圖4.18不同附加入口直徑對絕熱效率的影響Fig.4.17EffectofdiameterofadditionalFig.4.18EffectofdiameterofadditionalentranceonTemperatureefficiencyentranceonadiabaticefficiency圖4.19不同附加入口直徑對單位制冷量的影響圖4.20不同附加入口直徑對制冷效率的影響Fig.4.19EffectofdiameterofadditionalFig.4.20Effectofdiameterofadditionalentranceonunitrefrigerationamountentranceonrefrigerationefficiency對上面的冷流率進(jìn)行分析可以看出，在有附加入口的情況下，當(dāng)冷流率μ在0.1~0.3時，可以取得最大的制冷效應(yīng)和溫度效率；冷流率μ在0.4~0.6時，可以取得最大的制熱效應(yīng)；當(dāng)冷流率μ在0.7~0.8時，可以取得最大的絕熱效率、單位制冷量和制冷效率。實驗結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)，只有制熱效應(yīng)的取值范圍略有不同。上面各個曲線圖中的錐形雙回路渦流管的性能參數(shù)隨著冷流率的變化趨勢與模擬結(jié)果大致相同，并且數(shù)值在同一個數(shù)量級，但是實驗的結(jié)果要好較于模擬的效果。由此可見，數(shù)值分析雖然基本上能夠模擬出流暢內(nèi)部的流動狀態(tài)，但是不夠精確，因此對數(shù)值手段需要繼續(xù)研究并完善。（2）入口壓力和附加入口壓力為0.1MPa圖4.21不同附加入口直徑對制冷效應(yīng)的影響圖4.22不同附加入口直徑對制熱效應(yīng)的影響Fig.4.21EffectofdiameterofadditionalFig.4.22Effectofdiameterofadditionalentranceontemperaturedecreaseentranceontemperatureincrease圖4.23不同附加入口直徑對溫度效率的影響圖4.24不同附加入口直徑對絕熱效率的影響Fig.4.23EffectofdiameterofadditionalFig.4.24EffectofdiameterofadditionalentranceonTemperatureefficiencyentranceonadiabaticefficiency圖4.25不同熱端管錐角對單位制冷量的影響圖4.26不同附加入口直徑對制冷效率的影響Fig.4.25EffectofdiameterofadditionalentranceFig.4.26Effectofdiameterofadditionalentranceonunitrefrigerationamountonrefrigerationefficiency由以上各圖分析可得，直徑為2mm的附加入口的渦流管分離性能是最好的，而附加入口直徑為6mm和10mm的渦流管分離性能較無附加入口結(jié)構(gòu)而言并無改善。加入附加入口后，熱端附加冷氣流會推動處冷氣流回流，增大冷氣回流量，因此可以提高渦流管冷熱分離性能。冷氣在渦流管中心回流，冷熱兩股氣流之間有分界面，由于分界面直徑較小，因此6mm和10mm的這兩種直徑較大的附加入口結(jié)構(gòu)，對冷熱分離的界面影響較大，增加了分離臨界面的湍流，影響冷熱氣體分離，并且湍流形式混亂導(dǎo)致能量損失增大，因此可能反而降低分離性能。對于主入口壓力為0.1MPa的性能參數(shù)明顯好于0.2MPa的情況。因此渦流管在小入口壓力的情況下更能體現(xiàn)其分離效率。4.2.4阻渦器（1）無附加入口時阻渦器的影響本實驗中，主入口壓力為0.2MPa（表壓），采用錐角為4°的錐管結(jié)構(gòu)，切不安裝附加入口，分別對有阻渦器和無阻渦器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比分析，得到以下的各個性能參數(shù)的曲線圖。圖4.27阻渦器對錐管制冷效應(yīng)的影響圖4.28阻渦器對錐管制熱效應(yīng)的影響Fig.4.27EffectofrectifyontemperatureFig.4.28Effectofrectifyontemperaturedecreaseofconicaltube