涡流板结构特性研究

论文摘要

涡流管是一种结构简单的能量分离装置，它可以将高压气体分离成冷热两股气流。其特点是结构简单、无运动部件、维护简便、工作可靠。目前已在制冷、空调、天然气分离、机械加工等许多领域得到应用。然而由于其效率低，制冷量小等缺点制约了其更广泛的应用。到目前为止，人们对涡流管的研究多集中在单管涡流管的特性研究，对于涡流管的集成化研究还未有涉及。本文的主要目的是从理论和实践两方面深入研究集成化的涡流管即涡流板的工作机理和结构特性，为提高涡流管的制冷量，拓宽其应用领域打下基础。对入口气流微团建立自由涡方程和涡环量方程，并推导出势函数方程和流函数方程。通过速矢变换和叠加理论得到涡流管内空间流动形式由入口截面的自由涡、汇以及轴线方向的匀速运动叠加而成。根据粘性因素和能量分布分析，涡流管内气体流动在离心力和内摩擦力作用下由自由涡转变为强制涡，涡流管内能量分离的主要因素为离心力和内摩擦力。论述了涡流管集成化的思想，涡流板的设计方法和技术细节，对涡流板的开发和应用具有实用价值。根据热力学第一、第二定律将涡流板视为一个整体，建立了涡流板热力学模型，分别从熵和(火用)的角度对涡流板能量分离过程进行分析，其能量分离过程是压力(火用)转变为温度(火用)的过程，压降比是涡流板能量分离的主要动力。推导出涡流板进出口压比、进口温度、冷端出口温度和冷流比之间的函数不等式，以及为获得所需冷气流温度，必须满足进出口压比最小值。分析了涡流板能量分离过程的不可逆因素，得出能量分离过程的可逆程度越高，能量分离效果越好的结论。为涡流板的理论研究提供了一个新的思路。自行建立了涡流板综合实验台，进行了大量的实验研究工作。在不同的条件下对涡流板的特性进行了测试。根据实验结果，分析了涡流板入口参数及冷流比对涡流板各种性能参数的影响。研究表明，涡流板具有能量分离效应，其能量分离特性与单管涡流管相同。本文重点对涡流板的结构特性进行研究，分别研究了涡流室数目、分离孔板内径，热端管长度、喷嘴形式等具有代表性结构参数对涡流板性能的影响规律，为涡流板的设计和应用奠定基础。最后，利用正交试验法对涡流板结构优化进行了探索性研究。利用正交试验法设计涡流板实验，并利用方差分析法分析了涡流板结构参数分别对其性能指标影响的显著性，从而优化了涡流板的结构。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 涡流管研究进展
• 1.2.1 涡流管理论研究进展
• 1.2.2 涡流管工作介质研究进展
• 1.2.3 涡流管内部场研究进展
• 1.2.4 涡流管结构研究进展
• 1.3 本文的主要工作
• 第2章 涡流管内部流场研究
• 2.1 涡流管内流场研究综述
• 2.2 涡流管内流场的数学描述
• 2.2.1 自由涡运动
• 2.2.2 速矢变换
• 2.3 涡流管管内流动的分析解
• 2.3.1 二维分析解
• 2.3.2 三维空间解
• 2.4 粘性因素的影响
• 2.5 能量分布
• 2.6 本章小结
• 第3章 涡流管集成化研究与设计
• 3.1 涡流管集成化研究
• 3.2 涡流板结构设计
• 3.2.1 涡流板整体结构设计
• 3.2.2 涡流板喷嘴设计
• 3.2.3 涡流板内涡流室直径的设计
• 3.2.4 热端管长度的设计
• 3.2.5 分离孔板的内径设计
• 3.2.6 热端调节阀设计
• 3.2.7 涡流板选材与加工
• 3.3 本章小结
• 第4章 涡流板热力学研究
• 4.1 涡流板热力学模型
• 4.2 涡流板内部工作过程
• 4.3 涡流板系统熵分析
• 4.4 涡流板系统（火用）分析
• 4.5 不可逆因素对能量分离的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 涡流板特性实验研究
• 5.1 涡流板实验系统设计
• 5.1.1 空气压缩机系统
• 5.1.2 后处理设备
• 5.1.3 测量采集系统
• 5.1.4 参数测量与误差分析
• 5.2 涡流板能量分离特性实验研究
• 5.2.1 入口压力对涡流板能量分离特性的影响
• 5.2.2 入口温度对涡流板能量分离特性的影响
• 5.2.3 冷流比对涡流板能量分离特性的影响
• 5.3 涡流板结构特性实验研究
• 5.3.1 涡流室数目的影响
• 5.3.2 分离孔板直径对涡流板性能的影响
• 5.3.3 热端管长度对涡流板性能的影响
• 5.3.4 喷嘴形式对涡流板性能的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 应用正交试验法优化涡流板结构
• 6.1 正交试验设计
• 6.2 实验数据处理及方差分析实验结果
• 6.3 实验结果讨论
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历