四流道喷嘴涡流管内流动特性的研究

四流道喷嘴涡流管内流动特性的研究

1涡流管内部流场带有运动管的部件没有移动，启动时间短，结构简单。只需通过压缩空气进行处理，因此在冷却或加热的特殊需求领域具有广阔的应用前景。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一个选择。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一举两得的效果。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,至今仍没有一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场和温度场的数值模拟,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涡流制冷循环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p0、p1、p2分别为环境大气压、喷嘴出口压力、空压机出口压力,ΔT1为实际温降,ΔT2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,焓减小一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过程为单一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一运用节流效应制冷的制冷效率高。3流量管的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最大速度为临界速度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间成自由涡现象,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。3.2涡流室内旋流与外旋流的流动涡流管内轴向运动如图4所示,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。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一起调节,单一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切向最高速度线内的气流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,实际很难测量得到准确的径向运动,而且在不同截面处径向速度不同。与横截面涡旋运动类似,径向运动也可放在微元截面里分析。从受力分析,入口处气流具有最高的切向速度,其离心力最大,当将涡流管内流动视为稳态流动时,其离心力与压力平衡,向轴心发展,强制涡中离心力减小,相应的压力也减小,由此得出在切向最高速度线内部的气流其径向运动为向轴心处的流动,即强制涡内部的气流的径向速度是指向轴心的;切向最高速度线外部气流成自由涡,速度减小,半径增大,离心力减小,相应的压力减小,与切向最高速度线处的压差指向外部,即自由涡区域径向运动为中心往边缘的运动。上面分析的是涡流管入口处截面,其他截面与涡旋运动类似。径向运动受到切向最高速度的影响。在往热端发展的过程中,由于最高切向速度的各种耗散,切向最高速度逐渐减小,切向最高速度区域变宽变模糊,导致离心力减小,压差减小,从而径向速度减小,径向运动减弱。4涡流管的数值模拟研究近年来,随着计算量及速度的提升,计算流体力学也逐渐成为研究流体的主流方法之一,利用数值模拟方法为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等提供了新的途径。4.1旋转化学建模涡流管相关参数按照经验公式Si/(πr2nn2)=0.08设计,采用4×2mm×2mm喷嘴,rh=8mm,Ti=4mm,热管长度Lh=180mm,喷嘴入口边界:Pi=0.6MPa,Ti=303K,冷端出口边界:Pc=0.1MPa,热端出口边界:Ph=0.1MPa,壁面处采用无滑移边界。入口气流量为0.8,热阀采用圆锥体堵头,其底部半径取7.5mm。定义涡流室与冷端管交界面中心处为坐标原点,热端气流方向为轴向正向位置。鉴于入口气流流动方向基本相同,对喷嘴采用自动生成结构化网格,并在切向交接处对网格加密,并做钝化处理。又由于涡流室区域是主要的制冷区,其流场所需精度高,因而对涡流室网格精度提高1.5～2倍,类似于加密处理,而对热管则将网格精度降低2倍,涡流室网格划分如图5所示。4.2湍流模型与动力学方程涡流管内流体的运动形式为强涡旋湍流,属复杂剪切流的一种,与简单的湍流剪切流动相比,涡旋流动增加了离心力引起的附加应力项,这些项的极小变化可引起湍流结构的很大变化。因而引入湍流模型帮助求解瞬间连续性方程与运动方程组,本文选用RNG模型,该模型通过修正湍动黏度项,在其中引入了与旋转和曲率有关的内容,考虑了平均流动中的旋流流动情况。其控制方程组见文献,并做以下假设:(1)工质为理想气体;(2)流体的流动为定常湍流状态;(3)工质物性为常数。4.3涡流室内旋流流场—模拟结果及分析在通过修改若干次热端出口压力以调至40%左右的冷流率,数值模拟收敛后,得到的速度分布线,温度分布线以及焓值分布线,如图6～9所示。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,同一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10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。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。从总温分布(图7)以及总焓分布图(图8)可以看出,以总压0.6MPa、总温为303K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