四流道噴嘴渦流管內(nèi)流動(dòng)特性的研究

四流道噴嘴渦流管內(nèi)流動(dòng)特性的研究

1渦流管內(nèi)部流場(chǎng)帶有運(yùn)動(dòng)管的部件沒有移動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間短，結(jié)構(gòu)簡單。只需通過壓縮空氣進(jìn)行處理，因此在冷卻或加熱的特殊需求領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其中不是由電帶動(dòng),而是壓縮氣體帶動(dòng)的工作特點(diǎn)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(dòng)風(fēng)機(jī)能為井下局部降溫多提供一個(gè)選擇。徐州風(fēng)機(jī)廠的礦用氣動(dòng)風(fēng)機(jī)由井下0.6MPa的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)。氣動(dòng)風(fēng)機(jī)氣馬達(dá)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(rèn)識(shí)渦流管內(nèi)部流場(chǎng)以及其溫度場(chǎng),對(duì)于揭示渦流管內(nèi)部的深層物理機(jī)制具有十分重要的意義。但是渦流管內(nèi)部的能量分離現(xiàn)象則極為復(fù)雜,至今仍沒有一種精確的理論能夠解釋其能量分離機(jī)制。理論分析是必要的,近年來,計(jì)算流體力學(xué)已廣泛應(yīng)用于各種流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬,利用數(shù)值模擬方法可以更加系統(tǒng)深入地研究渦流管中的復(fù)雜流動(dòng)和能量分離效應(yīng)。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(diào)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(jī)出口壓力,ΔT1為實(shí)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(jìn)入空氣壓縮機(jī)等溫壓縮,后經(jīng)噴嘴的節(jié)流過程,進(jìn)入渦流管絕熱膨脹,最終排出冷熱端管。圖中2-3′為實(shí)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(shí)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(zhuǎn)化為氣體的推動(dòng)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(shí)際渦流管制冷循環(huán),其面積為實(shí)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(jī)出口氣體進(jìn)行節(jié)流制冷循環(huán)的制冷量。從圖可以發(fā)現(xiàn)理想及實(shí)際渦流管總的制冷量總是比單一運(yùn)用節(jié)流效應(yīng)制冷的制冷效率高。3流量管的流動(dòng)模型渦流管內(nèi)實(shí)際氣流為帶粘性三維可壓縮流,整個(gè)流動(dòng)形態(tài)比較復(fù)雜,表現(xiàn)為隨著管內(nèi)位置的不同,給定結(jié)構(gòu)及參數(shù)的不同整個(gè)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(yùn)動(dòng)如圖3所示,氣流在噴嘴中加速,以很高的速度進(jìn)入渦流室,在達(dá)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(qiáng)制渦—自由渦的模型流動(dòng)。高速氣流與壁面間由于粘性效應(yīng)與壁面間成自由渦現(xiàn)象,而內(nèi)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(zhuǎn),形成強(qiáng)制渦。強(qiáng)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(guān)。3.2渦流室內(nèi)旋流與外旋流的流動(dòng)渦流管內(nèi)軸向運(yùn)動(dòng)如圖4所示,氣流在渦流管內(nèi)分為指向冷端流動(dòng)的區(qū)域和指向熱端流動(dòng)的兩個(gè)區(qū)域,而中間存在軸向零速度面。由此曲面將渦流管內(nèi)流動(dòng)分為外旋流與內(nèi)旋流,這樣分的目的是內(nèi)旋流從冷端流出,外旋流從熱端流出,因而入口氣體進(jìn)入渦流室后可分成兩個(gè)空間分別進(jìn)行膨脹分析,內(nèi)旋流對(duì)冷端影響,同樣外旋流對(duì)熱端產(chǎn)生影響。渦流管內(nèi)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(guān)鍵因素,大范圍調(diào)節(jié)冷流率應(yīng)該從冷端與熱端兩個(gè)面一起調(diào)節(jié),單一的調(diào)節(jié)熱閥開度限制了冷流率范圍的調(diào)節(jié),尤其是小冷流率下的實(shí)驗(yàn)。3.3切向最高速度線內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)渦流管內(nèi)徑向的運(yùn)動(dòng)對(duì)渦流管制冷的影響非常大。然而由于數(shù)值上特別小,實(shí)際很難測(cè)量得到準(zhǔn)確的徑向運(yùn)動(dòng),而且在不同截面處徑向速度不同。與橫截面渦旋運(yùn)動(dòng)類似,徑向運(yùn)動(dòng)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(dāng)將渦流管內(nèi)流動(dòng)視為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí),其離心力與壓力平衡,向軸心發(fā)展,強(qiáng)制渦中離心力減小,相應(yīng)的壓力也減小,由此得出在切向最高速度線內(nèi)部的氣流其徑向運(yùn)動(dòng)為向軸心處的流動(dòng),即強(qiáng)制渦內(nèi)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(yīng)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(yùn)動(dòng)為中心往邊緣的運(yùn)動(dòng)。上面分析的是渦流管入口處截面,其他截面與渦旋運(yùn)動(dòng)類似。徑向運(yùn)動(dòng)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(dǎo)致離心力減小,壓差減小,從而徑向速度減小,徑向運(yùn)動(dòng)減弱。4渦流管的數(shù)值模擬研究近年來,隨著計(jì)算量及速度的提升,計(jì)算流體力學(xué)也逐漸成為研究流體的主流方法之一,利用數(shù)值模擬方法為更加系統(tǒng)深入地研究渦流管中的復(fù)雜流動(dòng)和能量分離效應(yīng)等提供了新的途徑。4.1旋轉(zhuǎn)化學(xué)建模渦流管相關(guān)參數(shù)按照經(jīng)驗(yàn)公式Si/(πr2nn2)=0.08設(shè)計(jì),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(biāo)原點(diǎn),熱端氣流方向?yàn)檩S向正向位置。鑒于入口氣流流動(dòng)方向基本相同,對(duì)噴嘴采用自動(dòng)生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,并在切向交接處對(duì)網(wǎng)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(chǎng)所需精度高,因而對(duì)渦流室網(wǎng)格精度提高1.5～2倍,類似于加密處理,而對(duì)熱管則將網(wǎng)格精度降低2倍,渦流室網(wǎng)格劃分如圖5所示。4.2湍流模型與動(dòng)力學(xué)方程渦流管內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)形式為強(qiáng)渦旋湍流,屬復(fù)雜剪切流的一種,與簡單的湍流剪切流動(dòng)相比,渦旋流動(dòng)增加了離心力引起的附加應(yīng)力項(xiàng),這些項(xiàng)的極小變化可引起湍流結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)方程組,本文選用RNG模型,該模型通過修正湍動(dòng)黏度項(xiàng),在其中引入了與旋轉(zhuǎn)和曲率有關(guān)的內(nèi)容,考慮了平均流動(dòng)中的旋流流動(dòng)情況。其控制方程組見文獻(xiàn),并做以下假設(shè):(1)工質(zhì)為理想氣體;(2)流體的流動(dòng)為定常湍流狀態(tài);(3)工質(zhì)物性為常數(shù)。4.3渦流室內(nèi)旋流流場(chǎng)—模擬結(jié)果及分析在通過修改若干次熱端出口壓力以調(diào)至40%左右的冷流率,數(shù)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(nèi)流體的流動(dòng)為三維螺旋流動(dòng),從速度場(chǎng)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(qiáng)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(jìn)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(jīng)噴嘴進(jìn)入渦流室后分為3種流動(dòng)情況:外旋流壓縮,中間分界面,內(nèi)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(jìn)入,經(jīng)過四流道噴嘴進(jìn)入渦流管中,發(fā)生總溫分離,內(nèi)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(jīng)熱端排出,總溫隨著軸向距離的增長逐漸增加,到達(dá)熱端閥門出口處達(dá)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(shù)所引起的。從圖9可以看出:渦流管內(nèi)靜溫的最低點(diǎn)出現(xiàn)在渦流室內(nèi),氣流從噴嘴流出后,由于有效流通面積的突然減少,經(jīng)歷理想絕熱膨脹過程,切向速度達(dá)到最大值,溫度降為最低。5