涡流管 理论

涡流管研究的进展与评述!

曹勇!）吴剑峰"）罗二仓"）陈光明!）公茂琼"）齐延峰"）

（!）浙江大学制冷与低温工程研究所杭州#!$$"%

）（"）

中国科学院理化所制冷与低温工程研究中心北京!$$$&$）摘要对涡流管的发展作了较为详细的回顾。指出了涡流管研究的前景和重要意义，综述了涡流管的理论研究、实验研究和应用研究的进展，并对已有的研究成果进行了一定的评价。

主题词涡流管研究进展评述

!引言

涡流管，又称兰克・赫尔胥（’()*

+,-./0123）管，是一种结构非常简单的能量分离装置。涡流管的历史可追溯到!4#$年，当时法国的冶金工程师5・6・’()*

+,在实验中发现了旋风分离器中的涡流冷却效应，即旋风分离器中气流的中心温度和周边各层的温度是不同的，中心具有较低的温度，而外缘具有较高的温度。!4#!年兰克发表了首篇关于涡流管的

论文并于同年在法国申请了专利，!4#7年［!］美国批准了他的专利申请。!4##年兰克在法国

物理学会上作了关于涡流管装置及其涡旋温度分离效应的实验报告，报告指出，温度为"$89压缩气体进入涡流管后，通过涡旋温度分离效应，从管中流出的冷气流的温度大约为-!$89""$89，而热气流的温度可达到!$$89左右。由于兰克对分离现象的解释混淆了流体总温（滞止温度）与静温的概念，因而受到了质疑，会议上对涡流管制冷现象的普遍否定，使涡流管的研究被搁置了起来。

直到!47:年，德国物理学家赫尔胥［"］（./0123

）关于涡流管装置的实验论文中，运用了详细的资料证实了涡旋温度分离效应，并就涡流管的装置设计、应用、温度效应的定义等问题提出了一系列的研究成果和有价值的建议，涡流管才作为一种可用的装置为人们所确认。该效应也被称为兰克效应或赫尔胥效应。

涡流管是一种结构非常简单的能量分离装置，它是由喷嘴、涡流室、分离孔板和冷热两端管组成。工作时压缩气体在喷嘴内膨胀，然后以很高的速度沿切线方向进入涡流管。气流在涡流管内高速旋转时，经过涡流变换后分离成总温不相等的两部分气流，处于中心部位的气流温度低，而处于外层部位的气流温度高，调节冷热流比例，可以得到最佳制冷效应或制热效应。涡流管的工作原理见下图!：

由于涡流管具有结构简单、操作方便、运行安全可靠、造价便宜、易维护等优点，同时"$$!年第:期低温工程;<=:"$$!总第!"7期!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!9’>?5@;A 9B B +C ;<=!"7!国家自然科学基金资助（批准号码D $$%:$77）。曹勇，男，"&岁，博士生。

本文于"$$!年%月"#日收稿。

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年

然而，!"#$%&’认为，湍流!"#$%&’数是个变量，并且在推导这个方程时所做的假设可能

引起一些误差。(#$)**+&*"

［,］把广义柏努利方程用于涡流管，结果表明冷效应并不能由涡流管外缘的热效应引起，他的观点是从中心到外缘有动能的流动交换，这与-.’&/$的观点基本相同。

这种理论的缺陷在于，内层回流气体所形成的强制涡旋恰恰是由于外层气体通过摩擦力的作用引起的。这样，能量的传递方式将于上述理论相反，即将由外层向内层传递动能。其次，外层流体流速较高，流量通常也大于内层气流流量，因此，内层向外层传递动能的理论显然需要一个更为合理的基础。

012绝热冷却理论

34$45*［6

7］认为由于离心力作用产生的径向压力梯度是发生能量分离的主要原因。在气体的漩流方向，其压力逐渐降低过程其实是绝热冷却过程。

这种理论的缺陷在于，由于轴心区域粘性的存在，径向温度并非沿绝热线变化，按照现在的实验结果同理论的理想值偏差较大。

018紊流能量交换理论［9

］:;<.’&5，=".$/>，?#@@$*"和3#"&$*&&等认为，涡流管内能量分离是由于离心场中紊流流动引起能量的脉动，使能量从轴线处的低压流体跃至外层压力高的气流中。同时，这一部分能量将由于流体由喷嘴至调节阀处的流动而不断的传送出去。

019声流理论

不同于其他研究者的理论，?."/@#A #［6

6］从声流的角度来研究能量分离的机理。他认为涡流管内的有序扰动引起的声流是能量分离的原因，由涡流声引起的声流把B #$A 4$*涡变成强制涡，造成径向的温度分离。

01C 运用其它方法研究

:4D .’A 4$［6

0］是较先运用数学模拟的方法来研究涡流管的，通过一些假设模拟出涡流管中的温度和速度场。他认为涡流管的能量分离主要是由轴向和径向的不同膨胀和静止的轴向部

和高速运动的外周之间的热导引起的。E 4$%*"@&"/+［2］，E *>4$@和F *G

#$［68］还对涡流管类比热交换器进行了研究。

!涡流管的结构及实验研究

涡流管按基本结构可分为两类：逆流型涡流管和顺流型涡流管。实验结果表明，顺流型

涡流管的效率很少超过逆流型的一半。因此，一般情况下都采用逆流型涡流管。34’@;<［0］是

最早以几何尺寸为基础来研究涡流管性能的人，后来的许多研究者所采用的涡流管大都基于

34’@;<所推荐的几何比例关系。!#".’*A *"［69］设计出了短涡流管，它可以把长径比缩短到2

以内。他的研究表明，一般粗糙度对涡流管的效应没有根本的影响，喷嘴出口处涡流室的内部形状以阿基米德螺线为最好，喷嘴的出口横截面以矩形截面为好，最佳长宽比为0H 6，长边平行于涡流管的轴线，喷嘴的相对面积以,I 为最佳。

J #A #<#+#［6

C ］通过改变喷嘴面积、冷端孔口和分离室的直径，在不同的流率比下对涡流管进行实验，获得设计具有高效能量分离的涡流管数据。当喷嘴出口的气流的马赫数为719!6时，实现高效能量分离，结构尺寸存在下列关系：

!$／!"710，#$／#&"717K !716L ，#;／#$"012

M #"’N

/$O @A 44和P ’*A @*@**O ［6L ］在实测研究中，探测了涡流管的各种不同几何结构对冷、2第C !

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!期涡流管研究的进展与评述