涡流管的工作原理

摘要

涡流管中，从同一个管道进入的冷流与热流的产生已经被许多研究者研究，目的是为了找寻分离的初步原因。本论文做出了一个对涡流管中的流动行为的详细解释与描述了用许多实验方法确定的在涡流管中产生冷流热流的机械工作原理，这些方法包括：对水动涡流管的内在流动结构的可视化，对水动和空气操动涡流管内部的速度方面的测量。理论上温度下降的估算是建立在这篇文章所介绍的强迫涡流的压迫梯度的基础上的，并且一致认定的实验结果被保存了下来。对于空气操动涡流管的流动性能的放射能测试分析指出：没有外部的能量转移到热流部分的涡流管。甚至，温度升高的主要原因是流动结构的停滞和混合。在被提出的机械原理的基础之上，带有许多几何参数的涡流管的早已预测的表现和实验结果一致，同时反过来证实了早已被提出的机械理论的正确性。

涡流管：工作原理

涡流管是一个能将从喷嘴进入的空气分离成两个温度不同的气流的热工设备。从切线方向注射进入涡流管的压缩空气被分成比进入时温度一个较高一个较低的气流。用这种方法，热气流和冷气流只是被涡流管分离开而不是用附加的其他构件。图1表示一个逆流涡流管的内部结构和被指定的在涡流管中的流动行为。重要的是，因为在管道中涡流管没有其他的部件，所以对于两个不同温度的气流的分离只能通过流动动力的作用来实现。在以前的研究中，涡流管表现出促进作用在冷空气，热空气，混合空气的分离上。在与其他的工业技术的比较上，涡流管的主要优点在于没有活动部件，体积小，低成本，免费保修及有可调节的即可制冷制，这些优点激励了正在进行的对于这个简单设备的机械原理的研究，带着改善管道的工作状态和确定主要因素的目标进行试验。

对于温度分离的基础已经提出了许多的假设。假设包括涡流管的压力梯度，气流的内部摩擦和涡流管中工作气流与内壁的摩擦，涡流管中的静止温度梯度和次要的环流与声气流。详细的讨论和分析得出了上述假设。这些假设在上文中提到。图表表示一个广泛被接受的关于涡流管中热环境的解释，这个解释在之前没有被提出来是因为涡流管中复杂的流动机械理论。最近，Liewet al. (2012)报道说在温度分离时由涡流产生的绝热性的压缩和膨胀提供了一个理论性的对于温度的预测，这是以现存的压力为基础做出的预测。然而，如同之前发表的文章中提到的，工作气流的压力不能被认作为温度上升的原因，因为在涡流管内部的压力总是低于入口的压力。这个理论(Xue et al., 2012)同其他理论(Gao, 2005; Hartnett and Eckert, 1956; Lay, 1959)都被可测量的涡流管压力分配所证实。

本论文阐述了一个对于涡流管中冷热流产生的新解释，这个解释是建立在局部停滞和由于发生在管道尾部的多向环流以及在注射嘴处的压力梯度的基础之上。在对之前假设(Xue et al., 2010)的反思中，这个解释第一次被提出来，并在多次的实验研究(Xue et al., 2011, 2012, 2013)中得到证实。

在这个文章中，是有对这个理论解释的细节描述，其理论是关于被涡流管中流动行为和流动性能的实验及研究证实并支持的。流动结构的可视化及气流驱动和水驱动的涡流管的高速构件的测量表示出调整过的流动结构使得气流按照温度被分成两股。对于其有效性的结论也被在管道冷端预测的温度下降和实验数据的相关性所证实。在管道中做的能量分析也证明了在不同流动层次有可忽略的能量传输，这证明了外围流动的能量传输是导致温度上升的主要因素，即通过已调整的流动结构。涡流管的工作原理与已调整的机器原理有一定关系。同时，理论价值和研究必要的实验结果之间存在的重要相关性也证实了涡流管的工作原理。

涡流管的制冷效果被认作是在靠近喷嘴处工作气流瞬间膨胀的结果。当气流被注射进入涡流管，主要气流旋转，并流向热端。靠近注射点，在内部的外围气流反向并移向冷端出口。在注射处的一个冷核的形成是源于压迫涡流的压力梯度和在这个冷核中的工作气流的压力减小所引起的温度下降。在涡流管冷端的流动行为请见图表2，图表2中表示了内部气流的转向和冷核。这个对于制冷的解释将在下面的小结中被确认。

2.1流动结构的证实

对于制冷的解释已经被假设和对流动结构的实验观察得出的结论所证实。在水驱动的涡流中的流动结构的可视化已经被要求应用不同的可视化方式(Xue et al., 2011)。流动结构的详细说明是建立在可观察的被注射的示踪粒子的运动上的。应用示踪粒子发现内部的注射气流反向移动到冷端然后在冷端出口排出。

这个在涡流管中以调节的流动结构也通过在空气操作的涡流管中的速度测量被证实，这项证实在图表3中用一个假设的流动结构表示出来。这个在喷嘴端的消极辐射速度阐释了外流向管道中心移动。这个内部的外流移动的原因是靠近冷端喷嘴的瞬间膨胀，同时得到冷核的产生是源于温度下降的结论。在冷核中，内部反向气流是两个最高轴向速度产生的原因。在大部分喷嘴处的气流都向冷端出口移动的时候，在管道前部的流动结构也被在0.05升时轴向速度的分配所支持。

2.2温度下降的估计

涡流管的温度下降的估算是根据被测量的速度。在涡流管喷嘴处附近的气流表现为一个压迫气流，压力的分配可用以下表示：

在这里dp/dr是径向的压力梯度，P是当地气流密度，w是角速度，r是径向位移，等于以下公式：

压力梯度可以写成：

对于绝热的处理，温度与控制体的压力之间的关系是：

将这个关系带入压力梯度，就变成了：

整合公式，代替外在的性能，这包括了内部的密度，静止压强，和温度表达为ρin Pin和Tin。涡流管的半径和气流的热容量表示为Rt和γ。外部的温度与涡流管内部下降温度的不同可以被推断为：

如同涡流管的几何参数的变化，涡流管中不同温度的气流混合然后在一个温度下变成冷流排出，这个温度比公式计算温度的最小值要高。

最近，Polihronov和Straatman提出了一个对于角推动力在气流中的影响的理论分析，提出了温度的下降在于涡流管中绝热体的膨胀。这项实验证实了这种推测的可能性。

已经被确定的是压力涡流的最小温度是在其中心。因此，对一个涡流管来说，最大的温度下降发生在管道的中间在喷嘴附近。为了证实这一猜想，Bruun (1969), Gao (2005),

Hartnett 和Eckert (1956), Lay (1959)的实验数据被用在做数据比较。由于不同的实验条件，一个无量纲的温度下降数值被计算出来，应用了上述提到的方法测量到的最大值和实际温度下降值的关系。这个数据可以表示为：

温度下降半径被计算出来，在这项研究及图表4所示的其他实验中。变量M表示在管道入口处的马赫数。这就表明了，极端的最大温度下降值比实验结果更有价值。这可以被因为不同温度下的气流混合所导致的温度下降所解释。实验数据与计算值相接近表示出涡流管的更好的制冷效果，因为更少的在冷核处的混合气流可以导致冷气流的更低温度。因此，一个基于压力涡流假设的温度下降猜想表明涡流管的制冷能力同时支持了一个观点：温度下降的主要原因是入口处的压力下降。

3.涡流管的加热效果

涡流管的加热效果可以外部的能量传输用来说明，能量包括热能动能和漩涡气流的部分滞留。如同在前文表述的(Xue et al., 2010),在热端的流动结构导致了部分滞留和混合从而导致了涡流管的温度升高。

在涡流管的热出口，外围气流的外层从控制阀和被在图表2中的黄色螺旋所表示的管道所形成的小空隙中溜走。气流的内部被阀门强迫返回通过管道的中间部分（粉色螺旋）。在通往冷端的过程中，螺旋气流向外围混合气流流动，然后返回热端（红色螺旋）。在这种流动结构中，形成了学术上被称为的多环流，其外部部分及混合体是温度上升的主要原因。在涡流管后端的流动结构也在图表2中表示，在多环流处表示。

3.1流动结构的确认

在热端的真正的气流行为被研究调查。通过在适当位置向涡流管注射染剂，在热端的可视的结果表明次要气流的外围气流持续其旋转并向热端移动(Xue et al., 2011),就如同表格5表示的。在热端，部分的外部气流在热端排出，而内部的气流被控制阀强制返回。在管道热端的气流行为被观测着，通过追踪在强迫回流的气流中的被注射的粒子。在图表6中显示了关于每一个粒子的位置的持续影像记录。影像清晰表现了在热端的流动结构。在图表中也能表现出来被控制的粒子带着增加的旋转半径向冷端移动，然后在某一位置，粒子又再次返回到热端出口。(Xue et al., 2011).

因此，对于任何一个粒子的观察，在热端出口的流动性为可以被描述成：“被强迫返回控制阀，中心旋转的气流带着增加的旋转直径从阀门处移向冷端。在管道轴线的某一位置上，部分的中心流动气流向外移动到辐射距离，与外侧气流混合，然后转向热端出口。在返回点上，工作气流的轴线速度降低为零，但是螺旋速度保持不变。因此，工作气流的部分停滞和混合是流动结构，即学术上称为多环流，导致的，同时导致了温度上升。

多环流的形成也可以被在辐射方向的示踪粒子的轨迹所解释。在热端的内部流动模式可以被