基于流场非定常特性和流动结构分析的涡流管能量分离机理及其优化准则研究

Ranque-Hilsch vortex tube is an important energy utilization device, which has been received more and more attention. Because of the complex fluid flow, heat and mass transfer process, the mechanism of the energy separation and the structure design method of the vortex tube has not been clearly resolved, which is still an obstacle for its future development. In this project, a new study method is proposed, based up the flow structure and the unsteady oscillation of the fluid field. The main contents are as followed. Firstly, the flow structure and the distribution of the unsteady oscillation of the flow field are derived from the unsteady computational fluid dynamics model. Secondly, a new analysis and computation model of the energy separation is carried out based upon the fluid field oscillation. And then, the optimization criteria for the main tube design of vortex tube is presented, with combining the results of flow structure analysis and new energy separation model. The basic study of the flow structure and fluid field oscillation has been partly carried out, which shows the strong feasibility of this project.

涡流管是一种重要的能源利用设备，在相关领域内日益得到重视。由于内部存在着复杂的流体运动和传热传质过程，涡流管能量分离机理和结构优化设计方法问题依然尚未解决，成为制约其发展的重要难点。本项目从涡流管流场结构和流动非定常振荡特性出发，提出了新的研究方法。主要内容包括：通过非定常数值方法求解流场结构，计算获取特征流动结构及流场周期振荡频率分布；研究该振荡特性对能量传递的影响，提出新的能量分离机理分析和计算模型；联立流场结构和能量分离机理模型，计算和分析其与工作参数关系，提出涡流管主流道结构优化设计准则。采用PIV和LDV等非接触设备，对流场速度场进行时均和瞬态测试，验证计算结果。通过以上研究可以形成基于涡破碎结构分析的涡流管能量分离机理，并最终完成涡流管结构优化设计方法的研究工作。前期开展了流场结构、振动特性等方面的部分基础研究，研究方案可行性较强。

本项目以非稳态分析方法对涡流管能量分离机理开展了计算和试验研究，项目成功完成了既定研究目标、达到了各指标要求，形成了多个有创新性的研究结果，包括：(1) 结合涡流管内产生的流场周期性振荡效应，建立了基于微气团逆向布雷顿循环的涡流管能量分离分析模型，揭示了基于流动结构分析和流场非定常特性的涡流管能量分离机理。(2) 分析了涡流管的特定流场结构与其工作特性关系，给出了能量分离性能优化所对应的涡流管流动结构分布，实现了涡流管关键几何结构、流动工况中重要参量的联立求解，建立了基于流动结构分析的涡流管优化设计模型。(3) 以涡破碎和进动涡核大尺度流动结构研究为切入点，得到了以折返流边界和进动涡核为显著特征的流动结构在不同工况下的变化情况，揭示了涡流管内外层之间流动分离成因，提出了滞止点的出现将引起能量分离性能恶化的观点。同时本项目研究成果还获得市级科技奖励一项、科技成果转化一项，发表论文20余篇，其中SCI检索11篇、外刊转载评述1篇。