涡流管装置三维流场数值模拟

肖 珉 袁秀坤 李 桃

(东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000)

涡流管装置三维流场数值模拟

肖 珉 袁秀坤 李 桃

(东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000)

通过建立涡流管的三维结构模型， 运用计算流体力学中 Realizable κ–ε 模型， 研究了在不同压力下对液固两相流的分离效应，并仿真模拟管内静压云图分布、温度云图、速度云图、速度矢量图、固体颗粒的分布图；在此基础上，采用液固两相流 中的 M ixture 模型， 研究了在不 同进口压力 下涡流管对 固体颗粒的 分离效果。

模型；云图；液固两相流

0 引言

涡流管是 20 世纪 40 年代发展起来的一种新型能量分离装置[1]， 主要利用可压缩气体高速旋转时产生的涡流效应进行工作。涡流效应是指高速旋转的可压气流产生的由边缘指向轴心的径向温度梯度。涡流管的结构极其简单，主要由进气流道 （喷嘴）、 涡流室、 分离孔板、 热端调节阀 （热阀）、 冷端管和热端管组成。 涡流管工作时高压气体由进气道沿切向进入涡流室，在涡流室内作高速旋转运动产生涡流效应，分离成温度不同的两部分气流，中心部分为冷气流经分离孔板由冷端管流出，而外缘部分的热气流经热阀由热端管流出。涡流管可以同时产生制冷、制热效应，通过调节热端调节阀的开启度可获得不同比例的冷热气体流量，进而得到最佳的制冷效应或制热效应。涡流管的结构与内部流动示意过程如图1所示。

图1 涡流管结构与内部流动示意图

与传统制冷装置相比，涡流管具有装置结构简单、无任何运动部件、操作方便且免维护、运行可 靠性高等一系列显著的特性， 可 实现制冷[2，3]、制热、抽真空、干燥、分离等功能。涡流管的上述性能在促进相关领域科学研究的同时，出现了Exair、 Vortex 等涡流管专业制造商， 并且在石油化工[4，5]、 航空航天、 国防装备、 精密仪器等领域得到广泛的应用。本文通过建立涡流管的三维结构模型， 采用计算流体力学中 Realizable κ–ε 模型[6]对工质在涡流管内的流动情况进行了数值模拟，清晰地勾勒出了三维流场的大致轮廓，从而为揭示涡流管能量分离机制和优化其工程设计提供了坚实的理论基础。

1 涡流管模型及网格划分

图2是涡流管三维模型结构图，入口直径为12.7mm， 管长为 303mm， 冷端 管直径 为 15mm，热端管直径为 12mm。

网格质量的好坏对流场的数值模拟结果至关重要。 本文采用 CFD 商业软件 FLUENT 的网格生成软件 Gambit2.3 将计算域划分网格， 计算中采用结构化和非结构化网格组合的方法，对涡流管的不同区域进行划分网格，为增加计算的精度，对涡流室和阻涡流器等部位进行了网格加密处理，通过对不同数量网格的试算比较得到与网格数无关解， 最终网格总数约为 466866 万个。

图2 涡流管的结构图

2 不同压力下涡流管对固液两相的分离

采用液固两相流中的 Mixture 模型， 研究了在不同进口压力下，对固体颗粒的分离效果。

2.1 边界条件

（1）入口边界条件：入口压力分别取值 0.2MPa、0.5MPa、 1MPa、 1.5MPa； 入 口 温 度 为 40℃（313K）。

（2）出口边界条件： 出口边界设置为压力出口，压力为 101325Pa； 出口温度为 27℃ （300K）。

（3）壁面边界条件： 壁面采用的是无滑移固壁；在近壁面区采用标准的壁面函数法，考虑了粘性摩擦。

2.2 材料的属性

水 的 密 度 取 1000kg/m3， 其 粘 度 为 1.005e-03Pa.s； 固体颗粒选用工业通用石榴石， 其密度为2300kg/m3， 其粘度为 8e-04Pa.s。

2.3 计算模型的选择及参数的设置

先用 Gambit软件做前处理， 划分网格， 然后导入 Fluent6.3 软件中进行计算， 在对喷嘴内部进行仿真时假设磨料水射流是定常流动，选用的求解器是压力基耦合求解器；湍流模型选择的是Realizable k-ε 模型，其基本的控制方程见文献[7]。由于液固两相的相间存在滑移速度，所以两相流的计算模型选用的是 Mixture 模型， 其基本的控制方程见文献[8]； 压力速度耦合算法选择的 SIMPLE算法，离散格式刚开始选用一阶迎风，然后采用二阶迎风格式； 压力插值选用 PRESTO！ 格式， 其它参数默认；初始化采用高压水的初始值对整个流场进行初始化；在计算过程中根据收敛情况适当调节亚松弛因子。根据液固两相流的相关理论，对仿真做出以下假设：

（1）水为不可压缩的流体， 作为连续介质；

（2）固体颗粒看成刚性的球形小颗粒， 并且液固两相无质量的交换；

（3）液固两相与外界无热量的交换， 其温度不发生变化；

（4）液固两相流为定常湍流流动。

3 涡流管内部数值模拟结果

3.1 静压云图、温度云图、速度云图、速度矢量图

图3为不同进口压力时，静压云图的比较，从图中可以看出，在分离孔板处产生了负压区，随着入口压力的增加，该处的真空度越大。此处可能会汽化，产生一定的水蒸气。

图3 不同进口压力时，管内的静压云图分布

图4 是管内温度云图，从图中可以看出，当工质为水时，管内的温度分布基本一致，不会产生像工质为空气时管内两端的温度相差较大的现象，这主要是由于空气可以压缩，在管内主要是靠绝热压缩和绝热膨胀来实现能量分离的；而水基本是不可以压缩的，所以没有产生出口两端的温度相差极大的现象。虽然分析中考虑了粘性摩擦，但随着压力的增大，管内的温度变化也基本不变，说明涡流管实现能量分离粘性摩擦基本可以忽略。

图4 不同进口压力时， 管内的温度云图

图5 是管内速度云图，从图中可以看出，在热端管的部分，管壁处的速度较高，中心的速度较低；热端出口的速度比冷端出口的速度大；随着进口压力的增加，热端管的管壁处的速度增大，但出口的速度基本不变。

图6是管内速度矢量图，从图中可以看出，管壁处水成螺旋状前进，当水到达阻涡器时产生了漩涡，一部分水从热端出口流出，一部分水从中心返回，从涡流管的冷端出口流出。

图5 不同进口压力时， 管内速度云图

图6 管内速度矢量图

3.3 出口处水的质量流量

图8为出口处水的质量流量，从图中可以看出，热端出口的水量比冷端出口的水量大；图9是出口处颗粒的质量流量，从图中可以看出，固体颗粒基本从热端出口流出，冷端出口基本为零，这主要是由于固体颗粒的密度较大，所受的离心力较大，其运动基本沿着管壁流动。

图8 出口处水的质量流量

图9 出口处颗粒的质量流量

3.2 固体颗粒的分布

图7是管内固体颗粒的分布图，从图中可以看出，固体颗粒主要沿着管壁运动，这主要是由于固体颗粒的密度比水大，离心力比较大；随着入口压力的增加，出口处颗粒的体积分数也增加，其原因是入口压力越大，速度越大，离心力也增大，在相同时间里，分离的效率也较高。

图7 管内固体颗粒的分布图

4 结论

本次模拟主要采用了液固两相流理论对涡流管内部流场的研究，从模拟的结果中可以得出以下结论：

（1）当工质为水时， 涡流管内部的温度基本一致，而当工质为气体时，热端出口与冷端出口的温差高达 150℃左右。

（2）涡流管可以对固液两相流进行分离， 压力越高，分离效果越好。

（3）在涡流管分离孔板处会产生负压。

[1] 王朋涛. 涡流管内 可压缩气体三维流场研究 [D]. 哈尔 滨工程大学,2006,1-2[2]James.R.W,M innstr.B.S.C.Vortex Tube Refrigeration. Refrigeration and air conditioning,1972,May:49-53

[3] 丁勇刚, 侯 予, 熊联 友.涡流 管的应用[J].低温 工程 ， 2004, 137（1）:56-59

[4]I.L.Khodorkov,N.V.Posherney,M.A.Zhidkov.The vortex tube-Auniversal device for heating， cooling， cleaning and drying gases and separating gas mixtures.Chem ical and Petroleum Engineering,2003,39(7)

[5] 何曙.用于轻烃回收的涡流制冷实验研究[D].北京工业大学,2005:95-107

[6] 周少伟,姜任秋,宋福元,等.涡流管内三维强旋流流场数值模拟[J].机械工程学报,2007,43（12）,229-230

[7] 李进 良, 李承曦.Fluent6.3 流场分析[M]. 北京: 化学工 业出版社,2009

[8] 倪晋仁,王光谦,张红武.固液两相流基本理论及其最新应用[M].北京:科学出版社,1991

Numerical Simulation of 3D Flow Field in Vortex Tube Device

Xiao Min， Yuan Xiukun， Li Tao
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

By establishing the 3D structure model of the vortex tube and using Realizable κ-ε model in CFD,the paper studies solid-liquid two phase flow separation effect under different pressure,and simulates the pipe hydrostatic contour distribution, temperature contour,velocity contour,velocity vector,the distribution of solid particles.On this basis,using Mixturemodel in the solid-liquid two phase flow,this paper also studies the separation effectof solid particles at the different inlet pressure.

model,contour,solid-liquid two phase flow

肖珉 （1963-）， 男， 1983 年毕业于重庆大学电力系统及自动化专业， 2005 年电子科大工商管理硕士研究生毕业， 2009 年获电子科大企业管理博士学位。