四流道噴嘴渦流管內流動特性的研究

四流道噴嘴渦流管內流動特性的研究

1渦流管內部流場帶有運動管的部件沒有移動，啟動時間短，結構簡單。只需通過壓縮空氣進行處理，因此在冷卻或加熱的特殊需求領域具有廣闊的應用前景。其中不是由電帶動,而是壓縮氣體帶動的工作特點尤其適用于礦井。目前我國煤炭礦井熱害日益突出,渦流管制冷系統(tǒng)配合井下的氣動風機能為井下局部降溫多提供一個選擇。徐州風機廠的礦用氣動風機由井下0.6MPa的壓縮空氣驅動。氣動風機氣馬達所需的工作壓力為0.2MPa,目前0.6～0.2MPa的降壓由降壓閥控制,如果將這部分壓力用于制冷能獲得一舉兩得的效果。充分地認識渦流管內部流場以及其溫度場,對于揭示渦流管內部的深層物理機制具有十分重要的意義。但是渦流管內部的能量分離現象則極為復雜,至今仍沒有一種精確的理論能夠解釋其能量分離機制。理論分析是必要的,近年來,計算流體力學已廣泛應用于各種流場和溫度場的數值模擬,利用數值模擬方法可以更加系統(tǒng)深入地研究渦流管中的復雜流動和能量分離效應。2渦流制冷循環(huán)渦流管主要由由噴嘴、渦流室、冷端管、熱端管及熱端調節(jié)閥組成(如圖1所示)。其制冷過程溫熵圖如圖2所示。圖中p0、p1、p2分別為環(huán)境大氣壓、噴嘴出口壓力、空壓機出口壓力,ΔT1為實際溫降,ΔT2為理論最大溫降。1-2-3-4-1為理想渦流管的制冷循環(huán),其面積為理想渦流管制冷量,環(huán)境空氣進入空氣壓縮機等溫壓縮,后經噴嘴的節(jié)流過程,進入渦流管絕熱膨脹,最終排出冷熱端管。圖中2-3′為實際噴嘴節(jié)流降溫過程,過程中摩擦等損失使焓值增加,3′-4′為實際渦流室中氣體膨脹降溫過程,其膨脹效率介于絕熱膨脹與絕熱放氣之間,焓減小一部分轉化為氣體的推動功,因而其制冷效率總是比理想節(jié)流的等焓過程高。1-2-3′-4′-1為實際渦流管制冷循環(huán),其面積為實際渦流管制冷量。2-5為等焓線,1-2-5過程為單一利用空氣壓縮機出口氣體進行節(jié)流制冷循環(huán)的制冷量。從圖可以發(fā)現理想及實際渦流管總的制冷量總是比單一運用節(jié)流效應制冷的制冷效率高。3流量管的流動模型渦流管內實際氣流為帶粘性三維可壓縮流,整個流動形態(tài)比較復雜,表現為隨著管內位置的不同,給定結構及參數的不同整個流型變化都很大。3.1最大速度為臨界速度渦流管橫截面旋渦運動如圖3所示,氣流在噴嘴中加速,以很高的速度進入渦流室,在達到臨界壓比的情況下,最大速度為臨界速度。然后氣流按照強制渦—自由渦的模型流動。高速氣流與壁面間由于粘性效應與壁面間成自由渦現象,而內部由于氣層間的摩擦保持與氣流速度最高處相同角速度旋轉,形成強制渦。強制渦與自由渦之間的分界線為切向最高速度曲線,該曲線與噴嘴的尺寸有關。3.2渦流室內旋流與外旋流的流動渦流管內軸向運動如圖4所示,氣流在渦流管內分為指向冷端流動的區(qū)域和指向熱端流動的兩個區(qū)域,而中間存在軸向零速度面。由此曲面將渦流管內流動分為外旋流與內旋流,這樣分的目的是內旋流從冷端流出,外旋流從熱端流出,因而入口氣體進入渦流室后可分成兩個空間分別進行膨脹分析,內旋流對冷端影響,同樣外旋流對熱端產生影響。渦流管內冷端與熱端的壓差是引起冷流率,軸向零速度面,氣流等溫面的關鍵因素,大范圍調節(jié)冷流率應該從冷端與熱端兩個面一起調節(jié),單一的調節(jié)熱閥開度限制了冷流率范圍的調節(jié),尤其是小冷流率下的實驗。3.3切向最高速度線內的氣流運動渦流管內徑向的運動對渦流管制冷的影響非常大。然而由于數值上特別小,實際很難測量得到準確的徑向運動,而且在不同截面處徑向速度不同。與橫截面渦旋運動類似,徑向運動也可放在微元截面里分析。從受力分析,入口處氣流具有最高的切向速度,其離心力最大,當將渦流管內流動視為穩(wěn)態(tài)流動時,其離心力與壓力平衡,向軸心發(fā)展,強制渦中離心力減小,相應的壓力也減小,由此得出在切向最高速度線內部的氣流其徑向運動為向軸心處的流動,即強制渦內部的氣流的徑向速度是指向軸心的;切向最高速度線外部氣流成自由渦,速度減小,半徑增大,離心力減小,相應的壓力減小,與切向最高速度線處的壓差指向外部,即自由渦區(qū)域徑向運動為中心往邊緣的運動。上面分析的是渦流管入口處截面,其他截面與渦旋運動類似。徑向運動受到切向最高速度的影響。在往熱端發(fā)展的過程中,由于最高切向速度的各種耗散,切向最高速度逐漸減小,切向最高速度區(qū)域變寬變模糊,導致離心力減小,壓差減小,從而徑向速度減小,徑向運動減弱。4渦流管的數值模擬研究近年來,隨著計算量及速度的提升,計算流體力學也逐漸成為研究流體的主流方法之一,利用數值模擬方法為更加系統(tǒng)深入地研究渦流管中的復雜流動和能量分離效應等提供了新的途徑。4.1旋轉化學建模渦流管相關參數按照經驗公式Si/(πr2nn2)=0.08設計,采用4×2mm×2mm噴嘴,rh=8mm,Ti=4mm,熱管長度Lh=180mm,噴嘴入口邊界:Pi=0.6MPa,Ti=303K,冷端出口邊界:Pc=0.1MPa,熱端出口邊界:Ph=0.1MPa,壁面處采用無滑移邊界。入口氣流量為0.8,熱閥采用圓錐體堵頭,其底部半徑取7.5mm。定義渦流室與冷端管交界面中心處為坐標原點,熱端氣流方向為軸向正向位置。鑒于入口氣流流動方向基本相同,對噴嘴采用自動生成結構化網格,并在切向交接處對網格加密,并做鈍化處理。又由于渦流室區(qū)域是主要的制冷區(qū),其流場所需精度高,因而對渦流室網格精度提高1.5～2倍,類似于加密處理,而對熱管則將網格精度降低2倍,渦流室網格劃分如圖5所示。4.2湍流模型與動力學方程渦流管內流體的運動形式為強渦旋湍流,屬復雜剪切流的一種,與簡單的湍流剪切流動相比,渦旋流動增加了離心力引起的附加應力項,這些項的極小變化可引起湍流結構的很大變化。因而引入湍流模型幫助求解瞬間連續(xù)性方程與運動方程組,本文選用RNG模型,該模型通過修正湍動黏度項,在其中引入了與旋轉和曲率有關的內容,考慮了平均流動中的旋流流動情況。其控制方程組見文獻,并做以下假設:(1)工質為理想氣體;(2)流體的流動為定常湍流狀態(tài);(3)工質物性為常數。4.3渦流室內旋流流場—模擬結果及分析在通過修改若干次熱端出口壓力以調至40%左右的冷流率,數值模擬收斂后,得到的速度分布線,溫度分布線以及焓值分布線,如圖6～9所示。渦流管內流體的流動為三維螺旋流動,從速度場分布(圖6)可以看出在噴嘴出口處速度最大,冷端的速度明顯大于熱端的速度,同一橫截面處中心速度小于外圍速度,以及徑向速度由于壓力梯度的影響成規(guī)律的波浪形傳遞,與橫截面成強制—自由渦模型。此外,在噴嘴出口處的速度矢量圖中,可以從圖10清晰的看到切向噴嘴有少量的氣體從噴嘴出來后直接進入冷端孔與冷氣流混合,從而影響渦流管制冷效率。壓縮氣體經噴嘴進入渦流室后分為3種流動情況:外旋流壓縮,中間分界面,內旋流膨脹過程。從總溫分布(圖7)以及總焓分布圖(圖8)可以看出,以總壓0.6MPa、總溫為303K的氣流進入,經過四流道噴嘴進入渦流管中,發(fā)生總溫分離,內旋氣流向著冷端出口排出,出口及中心區(qū)焓明顯減少,而外旋氣流以相反的方向經熱端排出,總溫隨著軸向距離的增長逐漸增加,到達熱端閥門出口處達到最大值,總溫與總焓圖從外形上極其類似是是由于理想氣體焓只是溫度的單值函數所引起的。從圖9可以看出:渦流管內靜溫的最低點出現在渦流室內,氣流從噴嘴流出后,由于有效流通面積的突然減少,經歷理想絕熱膨脹過程,切向速度達到最大值,溫度降為最低。5