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涡流管关键几何参数的数值模拟研究
| 论文题名： | 涡流管关键几何参数的数值模拟研究 |
| 关键词： | 涡流管;几何结构;工况变化;能量分离性能 |
| 摘要： | 由于结构简单、使用方便、易于维护等优点，涡流管在航空航天、石油化工、生物医学等领域的应用十分广泛。但涡流管的能量分离效率并不高，严重阻碍了涡流管的进一步发展与应用。对于涡流管的结构优化研究，研究者们普遍通过实验等手段对比不同几何参数对涡流管的影响，并得出最优值，这种经验方法缺乏普适性。涡流管内产生能量分离的物理机理尚未明确，但涡流管内的流动结构与能量分离密切相关。本文通过研究几何结构及工况条件变化所引起的流动结构变化，进而分析涡流管的能量分离性能变化趋势，了解涡流管内发生能量分离现象的物理机制，并用于指导涡流管的优化设计。 首先，对涡流管构建三维数学模型。得到涡流管在Spalart-Allmaras模型、标准k-e模型、RNG k-e模型、标准k-ω模型、SST k-ω模型和RSM模型等六个湍流模型下的能量分离性能结果以及不同轴向位置处的轴向速度分布。对比分析其计算结果与实验结果发现，采用标准k-e模型得到的模拟结果与实验值匹配较好。 其次，研究冷端孔径比（Dc/D=0.30,0.36,0.45,0.54,0.62,0.72,0.80）对涡流管性能特性曲线分布的影响，并结合温度场、速度场、压力场以及流线分布分析涡流管内流动结构与能量分离性能之间的关系。结果表明，冷端孔径比对涡流管的性能（尤其是制冷性能）具有显著影响：随着冷流比增大，涡流管制冷特性曲线从单调递减（Dc/D＜0.36）到先增后减（0.36＜Dc/D＜0.72）,再到单调递增（Dc/D＞0.72），这种现象可归结于流动结构和工作条件之间的耦合作用。冷端附近的二次环流和冷端出口回流等“病态”流动结构是影响涡流管制冷性能的主要因素。 最后，采用两种涡流管的构造方法，一种具有不同的主流管道直径但固定的入口直径，另一种具有不同的入口直径但固定的主流管道直径，探讨面积比（AR=0.014,0.028,0.056,0.085,0.113,0.169）与涡流管的制冷性能之间的关系。结果表明，构造方法对相同面积比的涡流管的流场和性能的影响可忽略不计。此外，单位面积入口质量流量与涡流管的制冷性能呈正相关，其对涡流管制冷性能的影响大于折返流边界的影响，可能是一个潜在的几何性能基准。 |
| 作者： | 覃柏钧 |
| 专业： | 热能工程 |
| 导师： | 张博 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连理工大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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