1 绪论
1.1 概述及研究背景
“制冷”意味着降低某对象的温度，使之低于环境温度的过程。工程技术上的人工制冷实质上是利用一定的装置（制冷装置），消耗一定的能源，强制地使某一对象的温度低于周边环境温度，并且使这一温度得以保持[1]。人类不断的为了达到自身要求，也就不停的使自然资源“转化”为人工环境，这样一来，能源以及环境的利用同时也对人类带来了极大的挑战。因此，我们要在合理利用自然资源的同时，为人们创造更为优质的人工环境。
涡流管，是一种易维修，便携式，仅需高压气体即可分离出高温和低温两股低压气流的装置。与传统压缩式制冷系统相比，首先利用压缩机将来自蒸发器的气态制冷剂的压力提高，然后通过冷凝器利用水、空气吸收高压气态制冷剂的热量，使其液化成为高压液态制冷剂，其次利用节流阀节流降压，使其压力降低到所需饱和温度对应的压力，最后进入蒸发器使低压液态制冷剂在其中沸腾吸热，降低冷媒的温度（水温或气温），自身吸热后成为低压气态制冷剂，然后低压制冷剂再次进入压缩机，如此循环往复。而该系统占地面积相对较大、后期维护难度大、成本高，最重要的是对资源和环境带来不利影响，而涡流管是一种轻盈，便携式的制冷设备，后期易于维护，甚至不需要维护，对环境友好，工作过程中无需任何动力源，仅需高压气体便可进行制冷[2,3]，所以其应用领域较为广泛，如制冷领域、制热领域、天然气领域、混合物分离领域、航空领域、海水淡化领域以及诸多工业领域[4~11]。
20 世纪 30 年代法国工程师 G.J.Ranque 发现在旋风分离器存在着一种奇特的现象：旋风分离器的轴心区域气体与外缘部分气体存在着一定温差，并且外层气体温度要高于内层气体，简称之为温度分离效应。1932 年，在美国申请专利。随后第二年，在一学术会议上对涡流管装置及其特殊的分离效应阐述指出，具有一定温度压力的压缩气体进入涡流管后，通过涡旋温度分离效应，冷气流的温度在-10 ℃～-20 ℃范围之内，而热气流的温度可达近 100 ℃，但是在报告中他将流体总温（滞止温度）与静温的概念混淆，受到了质疑，并未引起相关研究人员的普遍关注。而在 1946 年，德国物理学家 Hilsch[12]又重新发现了涡流管的涡旋温度分离效应，对涡流管的能量分离特性进行了更深入研究。
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1.2 涡流管研究进展
涡流管作为一种简单的能量分离装置，国内外高校、科研机构诸多研究人员对涡流管进行了相关研究。这些学者对于涡流管的研究主要分为两部分，即理论研究和实验研究。理论研究是研究管内气流流动特性，但是由于管内流动复杂，到目前为止暂无定论，诸多学者给出了一些理论，解释了一定现象。实验研究是通过研究影响涡流管性能的参数，即操作参数与结构参数，这些参数相互影响着涡流管的性能。这些参数主要包括入口压力、温度、工质、涡流管的尺寸比例、具体的结构形式等等，找到涡流管工作的最佳工况以及最优结构之后，其应用领域就能很好的扩展。
1.2.1 涡流管的理论研究进展
涡流管结构简单，造价低廉，无运动部件，实际使用意义较大。但是直至现在，人们也在追求解释涡流管能量分离现象理论。各领域的学者都在认真研究这一现象，都在寻求一套完备的理论，来解释涡流管内能量分离这一特殊现象。
涡流管内的流动及其复杂，影响涡流管的因素繁多，目前还没有统一的理论能够完全解释涡流管的能量分离特性，甚至一些理论之间是相互矛盾的，但是有一些理论能够在某些方面使涡流管的某些现象得到解释。涡流管内能量分离效应有以下理论：
Fulton[13]提出高压气流进入涡流管内高速旋时从轴心到壁面的径向速度先增大后较小会形成了准自由涡的运动形态，此时为了管内流体会进行类似刚性流体的运动，发生了径向上的动能传递，形成了气流温度的外高内低。
Ahlborn 等[14]对涡流管内的第二类流动现象进行了详尽的研究，他设计了一个探针较小的毕托管来测量涡流管管内流体的轴向速度和角速度，实验结果表明冷端流出的冷流体的流量比轴心部分回流的那部分流体的流量要小，因此，管内除了螺旋运动之外还存在着径向上的流体运动，即第二类流动。
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2 涡流管的设计与加工
2.1 涡流管的设计依据
涡流管各几何结构参数相互影响，故结合理论公式、经验、半经验公式，完成涡流管的设计计算。涡流管内气流流动现象颇为复杂，所以在进行计算时，要做出以下简化及假设：
（1）管内气体是理想状态且可压缩；（2）管内无质量引入及引出；（3）管内气流与外界无热量交换及功的交换；（4）管内壁面与气体之间摩擦忽略不计。
实验台搭建的通过性对于整个实验系统来说是至关重要的，因为它会直接影响到实验能否达到预期效果。实验台搭建的通过性包括以下几点：一是实验仪器的精度，精度必须要达到实验要求；二是各实验仪器在管路中的布置，并且还应当考虑实验操作过程当中的简洁性以及安全性；三是应当保证数据采集的精确性。所以整个实验台的通过性必须达到标准。作者自行搭建涡流管性能测试实验台，进行涡流管的性能测试，并选出最优结构。
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2.2涡流管加工依据及图纸
涡流管是一种结构简单的能量分离装置，在进行实验分析之前，作者根据前人的理论计算及数值模拟研究进行涡流管的加工，对涡流管各结构进行了物理模型简化，并确定了各结构的基本参数，基于数值模拟研究结果，在数值模拟的基础上确定各结构的具体加工参数，进行涡流管的设计加工。
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3.1 涡流管性能实验装置..........................................16
3.1.1 供气系统....................................16
3.1.2 数据测量与采集系统......................................18
4 操作参数对涡流管性能影响研究..........................23
4.1 入口压力对涡流管性能影响研究......................................24
4.1.1 入口压力对涡流管制冷制热温度效应影响......................... 24
4.1.2 冷流率对涡流管温度分布的影响.......................... 25
5 结构参数对涡流管性能影响研究................................30
5.1 热端管长度对涡流管性能影响研究.................................. 30
5.1.1 热端管长度对涡流管制冷制热温度效应的影响....................... 30
5.1.2 热端管长度对涡流管制冷性能的影响................................. 32
5 结构参数对涡流管性能影响研究
5.1 热端管长度对涡流管性能影响研究
涡流管的热端管，是涡流管内气体充分发生能量分离的场所，其中心区域是冷气流，外缘区域是热气流，是能量分离的充分发展段，所以本文以二氧化碳为工作介质，入口压力为 0.4MPa 时，入口温度为 298.15K，冷孔板孔径为 2.5mm，喷嘴流道数为 6 个，研究涡流管热端管长度为 100mm～200mm 对涡流管能量分离效应的影响。
5.1.1 热端管长度对涡流管制冷制热温度效应的影响
如图 5.1（a）所示，涡流管各热端管长度随冷流率的增大其制冷温度效应均呈现先增大后减小的趋势，最佳制冷温度效应所对应的冷流率不同，随着热端管长度的增加，出现最佳制冷温度效应的冷流率呈现先较小后增大的趋势，在热端管长度为 100 mm 与 125 mm 时最佳制冷温度冷流率为 0.3，热端管长度为 150mm～200 mm 时冷流率均为 0.4，这主要是因为涡流管热端管长度太小时冷热流均得不到充分发展就被排出即热流在具有较大切向速度时就从热端排出没有进行充分的能量分离，而热端管长度的增大会使能量分离区域发生变化，对内外旋流以及冷热流的流动范围产生影响，外旋流各流层以及与壁面的摩擦增大温度升高，内旋流膨胀程度增大温度降低。
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结论与展望
涡流管是一种轻盈，便携式的制冷设备，后期易于维护，甚至不需要维护，对环境友好，工作过程中无需任何动力源，仅需高压气体便可进行制冷的设备。目前涡流管已在较多领域应用，但是其工作效率不是很高，影响涡流管的性能有很多因素，这些因素相互制约。为了提高其性能，本文自行设计涡流管，搭建涡流管性能测试实验台，探究各工况下涡流管对应的最佳结构。
（1）操作参数的影响规律：涡流管的制冷性能随着冷流率的增大，呈现先增大后减小的趋势，各压力条件下均在冷流率 0.3～0.4 达到最佳制冷温度效应；涡流管的制热性能随着冷流率的增大逐渐增大，且在入口压力为 0.4MPa 时，获得最佳制冷制热温度效应。在入口流体为二氧化碳时，涡流管获得最佳制冷制热温度效应。
（2）结构参数的影响规律：
热端管长度：各热端管长度随冷流率的增大其制冷温度效应均呈现先增大后减小的趋势，最佳制冷温度效应所对应的冷流率不同，随着热端管长度的增加，出现最佳制冷温度效应的冷流率呈现先较小后增大的趋势；各热端管长度随着冷流率的增大涡流管的制热温度效应增大明显，并且随着热端管长度的增大呈现先增大后减小的趋势。热端管长度为 125mm 时获得最佳制冷制热温度效应。
冷孔板孔径：各冷孔板孔径随着冷流率的增大其制冷温度效应均呈现先增大后减小的趋势，最佳制冷温度效应所对应的冷流率不同；各冷孔板孔径的制热温度效应随着冷流率的增大呈现逐渐增大的趋势，且均在冷孔板孔径为 2.5 mm 时获得最佳制冷制热温度效应。
喷嘴流道数：随着喷嘴流道数的增加制冷温度效应呈现逐渐增大的趋势，各喷嘴流道数的制冷温度效应均随着冷流率的增大呈现先增大后减小的趋势；随着喷嘴流道数的增加制热温度效应呈现逐渐增大的趋势，各喷嘴流道数的制热温度效应均随着冷流率的增大呈现先增大后减小的趋势。喷嘴流道数为 6 时获得最佳制冷制热温度效应。
参考文献（略）