涡流管制冷分析

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杨 燕 ，张景松 。许敏宇 。刘瑞颜(1.中国矿业大学，江苏徐州 221116；2.中船重工第七 0三研究所无锡分部 ，江苏无锡 214000)摘 要： 对涡流管制冷本质并进行相关的试验研究，进行理论分析 ，以及对 四流道喷嘴涡流管的速度和温度分布进行数值模拟，结果表明：涡流管内实际流场由轴向，径向和漩涡运动组成，其流动形态在轴向上为阿基米德螺线，在横截面上为强制涡- 自由涡的模型；管内流体能量的分离主要发生在涡流室区域附近，且气体从喷嘴出来后有少量直接进入冷端孔与冷气流混合，从而影响涡流管制冷效率。

关键字： 涡流管；温度分布；流场；数值模拟中图分类号： TH12；TH137.8 文献标识码 ： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.07.018Analysis of Vortex Tube CoolingYANG Yan ，ZHANG Jing-song ，XU Min.yu ，LIU Rui-ran(1.China University of Mining and Technology，Xuzhou 221 1 16，China；2.Wuxi Division ofNo.703 Research Institute of CSIC，Wuxi 214000，China)Abstract： Analysis of the theories aboat the vortex tube refrigeration and the flow mode1.And numerical simulation of velocityand temperature distributions within a vortex tube with four channels.The results show that the actual flow field within the vortextube is composed of axial，radial and swirl movement.Flow pattern in the axial direction is as the Archimedes Spira1.The crosssection is the forced-free vortex mode1.Separation of fluid energy in tube occurs mainly in the vicinity of the vortex chamber are-a.And a smal amount of gas from the nozzle directly flow into cold-end mixed with the cold air.Thus affecting the rate of rerig-erator of the vortex tube cold。

Key words： vortex tube；temperature distribution；flow field；numerical simulation1 前言涡流管没有任何可移动的部件，启动时间短，结构简单，只需压缩空气即可，使其在有特殊要求冷却或制热需求的领域，有着极为广泛的应用前景。其中不是由电带动，而是压缩气体带动的工作特点尤其适用于矿井。目前我国煤炭矿井热害日益突出，涡流管制冷系统配合井下的气动风机能为井下局部降温多提供-个选择 J。徐州风机厂的矿用气动风机由井下 0.6MPa的压缩空气驱动。气动风机气马达所需的工作压力为0.2MPa，目前0.6～0.2MPa的降压由降压阀控制，如果将这部分压力用于制冷能获得-举两得的效果。

收稿日期： 2012-12-06 修稿 日期： 2013-01-18充分地认识涡流管内部流场以及其温度场，对于揭示涡流管内部的深层物理机制具有十分重要的意义。但是涡流管内部的能量分离现象则极为复杂，至今仍没有-种精确的理论能够解释其能量分离机制。理论分析是必要的，近年来，计算流体力学已广泛应用于各种流惩温度场的数值模拟，利用数值模拟方法可以更加系统深入地研究涡流管中的复杂流动和能量分离效应。

2 涡流管制冷工作原理涡流管主要由由喷嘴、涡流室、冷端管、热端管及热端调节阀组成(如图 1所示)。其制冷过程温熵图如图2所示。图中P。，t9。、P：分别为环境82 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.7，2013大气压、喷嘴出口压力、空压机出口压力，△ 为实际温降，△ 为理论最大温降。1-2-3-4-1为理想涡流管的制冷循环，其面积为理想涡流管制冷量，环境空气进入空气压缩机等温压缩，后经喷嘴的节流过程，进入涡流管绝热膨胀，最终排出冷热端管。图中2-3 为实际喷嘴节流降温过程，过程中摩擦等损失使焓值增加，3 -4 为实际涡流室中气体膨胀降温过程，其膨胀效率介于绝热膨胀与绝热放气之间，焓减小-部分转化为气体的推动功，因而其制冷效率总是比理想节流的等焓过程高。1-2-3 -4 -1为实际涡流管制冷循环，其面积为实际涡流管制冷量。2-5为等焓线，1-2-5过程为单-利用空气压缩机出口气体进行节流制冷循环的制冷量。从图可以发现理想及实际涡流管总的制冷量总是比单-运用节流效应制冷的制冷效率高。

冷端管 涡流室 热端管 调节阀图 1 涡流管工作原理O图2 涡流管工作过程温熵3 涡流管流动模型涡流管内实际气流为带粘性三维可压缩流，整个流动形态比较复杂，表现为随着管内位置的不同，给定结构及参数的不同整个流型变化都很大。

3.1 横截面的旋涡运动涡流管横截面旋涡运动如图3所示，气流在喷嘴中加速，以很高的速度进入涡流室，在达到临界压比的情况下，最大速度为临界速度。然后气流按照强制涡-自由涡的模型流动。高速气流与壁面间由于粘性效应与壁面问成 自由涡现象，而内部由于气层间的摩擦保持与气流速度最高处相同角速度旋转，形成强制涡。强制涡与自由涡之间的分界线为切向最高速度曲线，该曲线与喷嘴的尺寸有关。

气流入口J速度分布由涡区域制涡区域图3 横截面涡旋运动3.2 涡流管内轴向运动涡流管内轴向运动如图4所示 J，气流在涡流管内分为指向冷端流动的区域和指向热端流动的两个区域，而中间存在轴向零速度面。由此曲面将涡流管内流动分为外旋流与内旋流，这样分的目的是内旋流从冷端流出，外旋流从热端流出，因而入口气体进入涡流室后可分成两个空间分别进行膨胀分析，内旋流对冷端影响，同样外旋流对热端产生影响。

喷嘴 区 轴 向零速度 面内旋流 外旋流图4 涡流管内流场分解涡流管内冷端与热端的压差是引起冷流率，轴向零速度面，气流等温面的关键因素，大范围调节冷流率应该从冷端与热端两个面-起调节，单- 的调节热阀开度限制了冷流率范围的调节，尤其是小冷流率下的实验。

3.3 涡流管内径向运动涡流管内径向的运动对涡流管制冷的影响非常大。然而由于数值上特别小，实际很难测量得FLUID MACHINERY Vo1.41，No.7，2013涡流管内流体的流动为三维螺旋流动，从速度场分布(图6)可以看出在喷嘴出口处速度最大，冷端的速度明显大于热端的速度，同-横截面处中心速度小于外围速度，以及径向速度由于压力梯度的影响成规律的波浪形传递，与横截面成强制- 自由涡模型。此外，在喷嘴出口处的速度矢量图中，可以从图1O清晰的看到切向喷嘴有少量的气体从喷嘴出来后直接进入冷端孔与冷气流混合，从而影响涡流管制冷效率。

；垫：二；二：：： 爨；：0 ：：：：：：：：：： - ：：： 图 10 冷端出口流场压缩气体经喷嘴进入涡流室后分为3种流动情况：外旋流压缩，中间分界面，内旋流膨胀过程 j。从总温分布(图7)以及总焓分布图(图8)可以看出，以总压0.6 MPa、总温为 303 K的气流进入，经过四流道喷嘴进入涡流管中，发生总温分离，内旋气流向着冷端出口排出，出口及中心区焓明显减少，而外旋气流以相反的方向经热端排出，总温随着轴向距离的增长逐渐增加，到达热端阀门出口处达到最大值，总温与总焓图从外形上极其类似是是由于理想气体焓只是温度的单值函数所引起的。从图9可以看出：涡流管内静温的最低点出现在涡流室内，气流从喷嘴流出后 ，由于有效流通面积的突然减少，经历理想绝热膨胀过程，切向速度达到最大值，温度降为最低。

5 结论(1)涡流管总的制冷量总是比单-运用节流效应制冷的制冷效率高；(2)涡流管内实际流场由轴向，径向和漩涡运动组成，，其流动形态在轴向上为阿基米德螺线，在横截面上为强制涡- 自由涡的模型；(3)涡流管内流体能量的分离主要发生在涡流室区域附近，且气体从喷嘴出来后有少量直接进入冷端孔与冷气流混合，从而影响涡流管制冷效率。