SOLIDWORKS Flow Simulation：涡流管 – 如何轻松地将热空气与冷空气分离

文章来源：SOLIDWORKS代理商-卓盛信息 

什么是涡流管

它也称为Ranque管，用于将压缩流体分离成冷流和热流。从热端逸出的液体（或气体）温度可高达200℃，而从冷端逸出的液体温度可达-50℃。这种现象最早是由法国物理学家发现的1931 年的 Georges Ranque 当时，他没有为他的设备找到更广泛的应用。直到20世纪90年代，基于热管的热发生器才出现。

涡流管的独特之处在于没有移动部件，并且它被认为是一种环保技术，因为它只能使用压缩空气而不使用氟利昂。SOLIDWORKS官网

加压气体切向注入管一端附近的涡流室，导致快速旋转（第一个涡流）并沿着管内表面移动到另一端。最末端有一个锥形喷嘴，可以让气体逸出。剩余的气体被迫回到直径减小的内部涡流中。此时，内涡流将热量传递给外涡流中的气体。这导致外层的另一端比开始时更热。此外，中心涡流中的气体在返回起点时也更冷。它也从那里的管道中释放出来。

涡流管的工作原理

涡管中冷涡核心与暖涡外围之间的温度分离是由于运动参考系中的焓守恒造成的。“涡管效应”由欧拉功方程充分解释，也称为欧拉涡轮方程，可以写成最通用的向量形式： INSERT EQUATION HERE

上式对于涡轮机的绝热转变是有效的。它清楚地表明，当向中心移动的气体变得更冷时，过渡中的外围气体会“加速”。因此，涡流冷却是由角驱动引起的。气体到达中心时冷却得越多，为涡流添加的旋转能量就越多，因此涡流旋转得更快。这个解释直接遵循能量守恒定律。室温下的压缩气体膨胀以通过喷嘴获得速度。然后它克服了离心旋转障碍，在此期间能量也损失了。损失的能量被输入到涡流中，从而加速其旋转。在涡流管中，圆柱形的围壁限制了外围的流动。

涡流管的数值模拟

要对涡流管进行数值模拟，首先必须创建几何形状。为此，使用了SOLIDWORKS程序。物体的形状如下图所示。正版SOLIDWORKS

 

图1几何形状

然后我们可以继续定义物理学。
空气被定义为流体。然后，指定管的入口和出口的位置。入口总压为483,000 Pa，空气温度为21.05 °C。湍流强度设置为5%。

 

图2进气口边界条件

然后定义了出口。冷空气出口位于靠近入口的位置。该出口处的压力为大气压，温度为20.05℃。和之前一样，这里的湍流强度等于 5%。

图3冷风出口边界条件

热风出口定义为最后一个出口。它位于管的另一侧，那里的压力为 171325 Pa。其余参数与冷风出口相同。上海SOLIDWORKS
下一步是定义计算目标。在这种情况下，决定了解每个入口处的质量流量值并了解出口处的平均温度和静压。
最后一个阶段是定义计算网格。决定手动设置网格。网格参数如下所示。此外，还决定添加局部网格，使壁附近的细胞变厚。

图4全局网格的定义

 

图5局部网格定义

对于这些选定的参数，网格如下所示。

图 6.网格外观

下一步是进行计算。
要呈现的第一张图是总压力图。该图显示管中心的总压力远低于管壁的总压力。伯努利方程表明，各处的总压力应该相同。然而，低压区域表明正在发生能量损失。SOLIDWORKS价格

 

图7管内总压力分布

此外，压力变化对气体温度有显着影响。管子直径的突然变化会导致压力下降，同时温度也会下降。温度变化可以使用绝热膨胀方程来计算。
当然，这不是影响颗粒分离的唯一因素，但也很重要。温度变化场如下图所示。下面给出了显示传热的图表。

图8管内温度分布

为了更好地理解温度分布，上图绘制了流线

图 9流线型温度分布

如上图所示，存在再循环区。其中之一就在冷气出口旁边。更多的漩涡开始在靠近暖空气出口的地方形成。这意味着一些气体脱离内部涡流并与热空气一起回流。对于位于管末端的涡流也可以这样说。显然，并非所有空气都到达出口本身。
分离的另一个原因是涡度和湍流。它们有助于在外部漩涡和内部漩涡之间交换能量。从上图中可以观察到，在涡流开始形成的地方，流体温度显着升高。动能通过内摩擦力从内层传递到外层。购买SOLIDWORKS

涡流管是非常有趣的设备，因为科学家们花了90多年的时间才解释它们的工作原理。因此，值得仔细研究这些看似简单的设备。
它们被用于许多行业。它们用于冷却高温下运行的设备以及加热房间和生活用水。此外，它们还可用于分离某些液体混合物，例如水和油。

一如以往，谢谢阅读，快乐阳光！——SOLIDWORKS代理商（SOLIDWORKS 2023）

 

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