三流道喷嘴涡流管能量分离特性的研究

涡流管是一种可以产生冷热分离效应的结构简单的装置,尽管其在结构和操作上非常简单,但管内发生的能量交换过程却极其复杂。以压缩空气作为涡流管的工作介质,对涡流管能量分离特性进行了实验研究,获得了涡流管制热效应、制冷效应与进气压力以及冷流率之间的关系。研究结果表明:在冷流率 μ_c<85％时,喷嘴进口压力愈高,三流道喷嘴涡流管的制冷效应愈好,制热效应也愈好;冷流率愈高,三流道喷嘴涡流管的制冷效应愈差,但三流道喷嘴涡流管的制热效应愈好。     

六流道喷嘴涡流管流动与传热数值模拟

为了研究涡流管内部的能量分离机理,建立了六流道喷嘴涡流管的三维数值计算模型,采用Realizable k-ε模型对涡流管的速度和温度分布进行数值模拟,并将涡流管无量纲总温的径向分布与其他研究者的结果进行对比,验证了模拟结果的准确性。结果表明:保持入口压力不变,涡流管的制冷效应随着冷流率的增大呈现先增大后减小的趋势,存在着一个最佳制冷效应;涡流管内存在着内旋流、外旋流和循环流,循环流的存在使内旋流的能量传递到外旋流中,使得涡流管内存在能量分离现象;能量分离主要发生在涡流室区域附近。     

新型涡流管的制冷特性研究

以新型涡流管为研究主体,通过实验,研究涡流管操作参数对涡流管性能的影响。根据实验数据,分析改变温度压力等操作参数对涡流管能量分离效应的影响。试验结果表明:当提高涡流管进气温度,其冷热两端出气温度升高,但并不影响涡流管的制冷效率;增加涡流管进气压力会提高涡流管制冷效应,并在冷流率为0.2时效果最明显;制冷效率随节流阀开度增加而增加且最终趋于稳定,而制热效率则随节流阀开度增加而减小并最终趋于稳定。     

涡流管性能实验研究及优化

设计并制作了涡流管实验样机,对喷嘴通道角度和端面间隙对涡流管冷端温降的影响进行了实验研究。结论表明:将切线型喷嘴改为收缩型后的喷嘴流道使涡流管冷端温降普遍增大。对应于进气压力为0.3MPa、0.4MPa和0.5MPa工况,冷端最大温降增幅分别为20.7%、26.6%和27.4%;喷嘴环端面间隙对涡流管冷热端温差有很大影响,喷嘴环与涡室端面间存在0.1mm的端面间隙(约为喷嘴叶道高度的6.7%),冷热端温差会下降30%。     

涡流管内三维强旋转流场数值模拟与分析

涡流管内可压缩气体的强旋转流动是涡流管能量分离的根本原因和驱动力,因而涡流管内流场研究是揭示涡流管能量分离物理机制的首要关键问题。由于涡流管内可压缩气体的三维强旋转湍流流动,实验测量中存在诸多问题,而CFD数值模拟技术对此具有很大的优势。文中以涡流管内部流场为研究对象,建立了涡流管计算域模型并进行网格划分,讨论了边界条件、湍流模型以及线性方程组求解策略等问题,对不同冷气流率下的涡流管内三维强旋流流场结构特性进行数值模拟,获得了不同冷气流率下的旋转运动、轴向运动、径向运动和循环流的分布特性。研究表明Realizableκ-ε湍流模型能够充分反映强旋流动特点,数值模拟结果与文献中实验值基本吻合。     

基于正交试验方法的涡流管优化设计

为了寻求涡流管最大能量分离效果的最优化几何尺寸参数,该文探讨了喷嘴数目、分离孔板直径、涡流管长度、热端调节阀角度对涡流管最大制冷效应的影响,并采用极差分析法分析了试验结果。得出:喷嘴数目对涡流管能量分离影响程度最大,而调节阀锥度的影响程度最小,涡流管长度和分离孔板直径对其影响程度处在两者之间。该文利用正交试验法设计涡流管实验,为涡流管的研究提供了一个新的思路。     

涡流管能量分离过程的热力学模型

根据工程热力学理论对涡流管工作过程进行了热力学分析,在h—s图上定性地表示出热力过程,获得了过程中相关参数的计算公式。通过对管内能量分离过程热力学分析,借助J．Mischner的热力学熵增理论,获得了涡流管内能量分离效应与冷气流率的函数关系式,建立了完整的涡流管能量分离过程的热力学模型。     

涡流管性能的热力学分析

涡流管是一种新型的能量分离装置,热力学参数和几何参数对其的性能影响很大。该文依据热力学第一、第二定律,建立了涡流管能量分离过程热力学模型,将不可逆过程可用能损失归结为热量火用收益和压力损失两部分,获得了一种基于热力学火用分析的涡流管性能优化新途径。结合不同进气压力、喷嘴数和冷端出口直径的涡流管能量分离性能实验,得到上述诸因素对涡流管能量分离过程中火用变化的影响,通过对能量分离过程中热量火用收益和压力损失的比较,实现了涡流管能量分离性能的优化设计。     

冷端孔径及进口压力对涡流管性能影响的实验研究

设计了涡流管实验样机,在不同进口压力和冷流比工况下,实验测量了三种冷端孔径的涡流管性能,并分析了冷端孔径、喷嘴环端面间隙及进口压力对涡流管性能的影响。实验结果表明,冷端孔径为5mm的涡流管降温及制冷性能最佳,最佳冷端孔径与涡流管径之比为0.5。在进口压力为0.4MPa工况下,其冷端最大温降分别比冷端孔径为4mm和6mm的涡流管大6.1℃和2.9℃,最大制冷量分别大30.2%和5.4%;在所有进口压力工况下,对应于最大冷端温降的最佳冷流比约为0.5,而对应于最大制冷量的最佳冷流比约为0.65。在进口压力为0.3~0.5MPa范围内,涡流管冷端温降和制冷量均随着进口压力的升高而增大,且进口压力越高,冷端温降的增长速度越慢;制冷性能系数COP随着进口压力的升高而降低,而等熵温度效率则几乎不随进口压力改变而变化,仅是冷流比的函数。同时,实验发现,喷嘴环端面间隙对涡流管能量分离效应影响很大,设计制造过程中必须消除其影响。     

涡流管设计及应用进展综述

涡流管作为一种简易的制冷装置被广泛应用,但压缩气体在其内部产生能量分离效果的作用机理十分复杂,故至今仍没有通用的能量分离机理可以为涡流管的设计与应用提供理论指导。为了给涡流管的设计与应用工作提供参考,对本体结构及工质参数对涡流管能量分离性能影响的研究进展做了较为详尽的论述,并对涡流管在制冷领域和天然气工业领域的应用现状进行了概述。另外,还对涡流管下一步的设计及研究工作进行了展望,并就一些优化问题提出了合理的解决方案。     

涡流管能量分离过程实验研究

利用涡流管部分轴线温度测量实验装置,考虑到进气压力和涡流室结构对涡流管能量分离过程的影响,针对不同进气压力和不同涡流室结构的涡流管部分轴线温度分布进行了实验研究。根据实测结果,得到了进气压力及涡流室几何结构对涡流管部分轴线温度分布的影响曲线。在此基础上,根据实验结果并结合热力学原理对涡流管制冷的物理行为作了分析。结果表明:涡流导致涡流室中心区域气流膨胀是涡流管产生制冷效应的一个重要原因。     

涡流管研究进展及在天然气工业中的应用

涡流管是一种结构简单的能量分离装置,随着测试手段的进步,计算流体力学技术的发展,涡流管重新成为了研究热点。从理论、实验以及数值模拟三方面综述了涡流管的研究现状,并着重介绍了涡流管在天然气工业中的应用情况。     

涡流管能量分离物理机制研究进展

发生在涡流管内的流动规律以及由此所产生的能量分离效应异常复杂。至今没有一种精确的理论能够从本质上解释其效应。但仍有研究者提出了各种各样的理论模型,以期揭示其能量分离物理机制。就国内外对涡流管能量分离效应物理机制的研究动态及成果作了较全面的论述,根据今后涡流管的发展方向,对下一步的研究工作给予了前景性的展望,提出了进一步开展涡流管相关研究工作应解决的问题与途径。     

氩气感应耦合等离子体速度与温度数值模拟

为了获得用于研究再入飞行器热防护系统的感应耦合等离子体风洞流场数据,基于流场、电磁场和化学场的多场耦合建立了非平衡态感应耦合等离子体数值模型。利用该模型对不同入口质量流率和不同工作压力下的感应耦合等离子体进行了数值模拟,得到了相应工作参数下感应耦合等离子体温度与速度的分布特性。计算结果表明:等离子体中心线上的速度随着入口质量流率的增大而增大,而随着工作压力的增大而减小;同时,等离子体中心线上的温度随着入口质量流率的增大而减小,而随着压力的增大先减小后增大。这些结果可为感应耦合等离子体风洞优化设计及其工业应用提供理论指导。     

氩气感应耦合等离子体速度与温度数值模拟

为了获得用于研究再入飞行器热防护系统的感应耦合等离子体风洞流场数据,基于流场、电磁场和化学场的多场耦合建立了非平衡态感应耦合等离子体数值模型。利用该模型对不同入口质量流率和不同工作压力下的感应耦合等离子体进行了数值模拟,得到了相应工作参数下感应耦合等离子体温度与速度的分布特性。计算结果表明:等离子体中心线上的速度随着入口质量流率的增大而增大,而随着工作压力的增大而减小;同时,等离子体中心线上的温度随着入口质量流率的增大而减小,而随着压力的增大先减小后增大。这些结果可为感应耦合等离子体风洞优化设计及其工业应用提供理论指导。     

水平管降膜蒸发器传热特性研究

建立了水平管降膜蒸发和管内凝结传热实验台,通过对实验结果的归纳,获得了水平管降膜蒸发器总传热系数随喷淋密度、蒸发温度、传热温差和蒸汽入口流速的变化规律,以及管间距对传热特性的影响。结果表明,总传热系数随喷淋密度、蒸发温度的增大而增大,随传热温差的增大而减小,而蒸汽流速对传热系数影响较小;在本文研究的管间距范围内,当管间距为46.7 mm时,总传热系数最高。     

超高压水射流形成过程中的压力损失研究

 对超高压水射流形成过程中的压力损失进行了理论研究,并且对不同条件下超高压水射流速度的变化规律进行了实验研究,最后确定了不同条件下超高压水射流的初始参数。结果显示,在超高压水射流形成过程中,压力损失主要是在水流从高压管道进入高压喷嘴时由于流道发生断面收缩而造成的,压力损失大约为最终超高压水射流动能密度的49%;随着喷嘴口径的增大,压力损失减小,整个系统的能量利用率越高;随着水射流压力的增大,压力损失增大,但增大的程度会减小。     

气体中心式离心喷嘴喷雾实验与三维仿真

在实验的基础上, 基于RNG k-ε模型对常压下气体中心式同轴离心(gas-centered swirl coaxial,GCSC)喷嘴喷雾形态和破碎模式进行了三维仿真研究。采用网格自适应加密(adaptive mesh refinement,AMR)技术、耦合水平集和流体体积(coupled level-set and volume of fluid, CLSVOF)方法对气液界面进行捕捉。结果表明, 液体质量流率($\dot{m}_{\mathrm{l}}$)不变, 随着气体质量流率($\dot{m}_{\mathrm{g}}$)的增加, 中心气流的引射作用增强, 液膜内外压差增大, 雾化锥角减小, 并对其流动特性进行了分析; 而$\dot{m}_{\mathrm{g}}$不变时, 液膜在喷嘴出口的径向速度与切向速度随$\dot{m}_{\mathrm{l}}$的增大而增大, 导致雾化锥角增大。同时根据气液质量流率比(gas-liquid mass flow rate,GLR), 将喷雾的破碎模式分为穿孔破碎、气泡破碎和气动破碎。      

三种膨胀装置不可逆损失的比较

本文利用熵法对涡流管、透平膨胀机及节流阀三种装置进行了研究.通过理论分析说明了在相同的工况下,节流阀的(火用)损失最大,涡流管次之,透平膨胀机最接近等熵膨胀.随着入口温度的升高,涡流管的(火用)效率明显的增大,而其它两个变化不大.研究结果对于膨胀制冷机的研究开发具有一定的指导意义.     

超音速蒸汽浸没射流压力振荡第二主频特性研究

本文主要针对在蒸汽质量流率400~900 kg·m~(-2).s~(-1)、过冷水温度20~70℃范围内,超音速和音速蒸汽浸没射流中凝结压力振荡的第二主频进行了实验研究。研究结果表明:对于不同设计压比的超音速喷嘴,第二主频均随冷却水温度的升高和蒸汽质量流率的增大而逐渐减小。同时,本文在音速喷嘴第二主频的实验关联式基础上加入设计压比修正,拟合得到超音速喷嘴第二主频实验关联式,其计算值与实验值误差在士16%之内。