采用 CFD 方法优化具有创新螺旋内构件的旋涡管热性能

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Optimization of thermal performance of vortex tubes featuring innovative helical internals using CFD method

　　

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  通过创新的螺旋内部件对流场和湍流进行调节，以提高涡流管性能。
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  优化了长径比，以缓解涡流管在极端条件下的性能下降。
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  开发的模型实现了涡流管性能预测的高精度。

引言

涡流管是一种由喷嘴、冷管、热管和控制阀组成的简单装置。它能够将均匀加压的进口气流分离成两股不同的出流（一股比进口温度高，另一股比进口温度低）。温度分离机制已用流线图说明（图 1）。值得注意的是，外部高温层和内部低温层分别用红色和绿色流线表示。

由于涡流管具有温度分离特性，它已被集成到各种能量系统中以提高系统效率 [1]，例如制冷 [2]、天然气 [3], [4] 和能量存储系统 [5], [6]。然而，文献报道涡流管的制冷和加热效率有限。具体而言，在极端运行条件下观察到能量分离效率显著下降，这阻碍了它们在工程中的应用。因此，对涡流管进行了改进以进一步提高性能。研究进展已在表 1 中总结。

几位研究人员系统地优化了涡流管组件，包括喷嘴 [7], [8], [9]、热管 [10], [11], [12] 的长径比、冷管 [13], [14], [15] 和控制阀 [16], [17], [18], [19]，以提高整体性能。然而，这些改进对提高涡流管的能量分离效率只有有限的作用 [30]。因此，开发了几种创新的涡流管，如收敛 - 扩散管 [20], [21], [22]、双喷嘴管 [23]、翅片管和双管 [24], [25]、螺旋肋管 [26] 和其他配置 [27], [28], [29]。然而，这些涡流管表现出结构复杂和制造困难的问题，这限制了它们的广泛采用。因此，开发了一种带有螺旋内部件的新型涡流管来解决这些问题。

此外，涡流管还面临与压力平衡相关的问题。一种常见的解决方案是在热管端安装压力调节阀以平衡压力。然而，该方法导致了二次升温，从而导致显著的能量耗散、增加的热应力和加速的设备老化。鉴于管长的变化可能导致压力下降或增加 [16]。因此，通过优化长径比来调节涡流管内的流场结构，从而防止回流并提高整体性能。

实验测试和数值模拟被用作评估创新涡流管性能的常用方法 [31]。实验研究需要大量的人力、资源和资金投入，而且涡流管内部复杂三维流场的细节不易通过实验方法捕捉。然而，随着计算流体力学（CFD）的快速发展，各种湍流模型得到了迅速发展，并被广泛应用于涡流管的数值研究中，包括标准 k-ε 模型 [32], [33], [34]、RNG k-ε 模型 [24], [25], [35]、SST k-ω 模型 [36], [37], [38] 和 RSM [39]。因此，使用 CFD 方法研究了创新涡流管内部流体的流动行为。

目前研究中发现了几个挑战：（1）传统涡流管已达到性能极限，（2）当前的新型涡流管设计受困于制造困难，（3）涡流管中遇到了压力平衡和回流问题。为了解决这些缺点，开发了一种结构简单、仅包含螺旋组件的创新涡流管，并通过内部组件调节流场来提高其性能。随后，优化了所开发涡流管的长径比，从而解决了压力平衡和回流问题。同时，使用 CFD 揭示了这种创新涡流管的流场和湍流机制。最后，使用回归分析建立了创新涡流管制冷和加热效果的预测模型，为评估其性能和促进其工程应用提供了参考。

章节摘要

数学模型

在稳态流动条件下建立了涡流管模型，并使用 Fluent [40], [41], [42] 求解了质量、动量和能量方程（公式 (1), (2), (3)）。值得注意的是，湍流模型已被用于封闭动量方程。通过对雷诺应力项$?\rho \overline{u_i^{\prime }{u}_j^{\prime }}$进行建模，建立了湍流脉动与时间平均流之间的关系，从而能够捕捉涡流管内部的复杂流动特征。文献综述

结果与讨论

气体通过多个喷嘴引入涡流管，并在管内高速旋转，从而形成内部和外部流动区域。外层气体受到强大离心力和管壁约束的压缩，而内层气体则膨胀，导致产生两股不同温度的气流。中央区域的冷流体通过冷管出口排出，而靠近管壁的热流体通过

结论

本工作提出了一种带有螺旋内部件的创新涡流管，并在冷质量分数范围为 0.1 到 0.9 的范围内比较了传统和创新涡流管的制冷和加热效果。同时，采用 CFD 揭示了螺旋内部件和长径比对涡流管内流场和湍流机制的影响。此外，创新涡流管制冷和加热效果的预测模型已经

CRediT 作者贡献声明

潘鹏：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，软件，方法论，调查。狄凯鑫：写作 – 初稿，调查，数据整理。牛立可：方法论，调查。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为会影响本论文中报告的工作。

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