计算流体动力学和实验分析涡流管的最优几何

号帕瓦尔¹,b . bloom先生²

打开学生,机械工程系,CMR, Medchal路,海得拉巴,印度安得拉邦
头,机械工程系,CMR, Medchal路,海得拉巴,印度安得拉邦

文摘

涡流管是一种简单的能量分离装置将压缩空气流分为冷热流没有任何外部能源供应或化学反应。本文概述的最近的研究Ranque-Hilsch涡流管(RHVT)发散管和蜗牛条目,喷嘴数量和供应压力的增加导致的崛起漩涡/涡强度与最大能源分离管。摘要发展三维流领域使用计算流体动力学(CFD)和计算流体动力学和优化RHVT进行实验研究。最优冷端直径(dc),蜗牛条目数量和最优参数获取的最大热气体温度和最低冷气体温度是通过CFD分析,并通过实验验证。

关键字

CFD分析,能量分离机制,实验验证,兰克赫尔胥涡流管。

我的介绍。

涡流管是一个简单的机械装置也称为Ranque-Hilsch涡流管(RHVT),操作作为制冷机没有任何活动部件如旋转的轴或活塞缸。它由一个主要管,高压气流进入电信领域,将在两个低压冷热温度流。冷气流离开管通过喷嘴入口附近的一个中心孔,而热气流流向调节阀,使管。Ranque-Hilsch涡流管可以追溯到1930年代,法国物理学家乔治·兰克发明了早期的原型。大约在1945年,当德国军队占领了大部分的法国,德国物理学家鲁道夫·赫尔胥改善RanqueA¢年代设计创造一个更好的版本的管。管是发明者的名字命名,但通常归因于赫尔胥,谁更显著的版本。设备本身是图1中所示。你可以看到这是一个相当简单的设备只有几个部分。

Ranque-Hilsch涡流管,相对简单的几何形状,没有机械运动部件,不需要绝对的密封部件,在1933年被发明的兰克,说明温度的气体分离的影响。1947年之后,赫尔胥详细描述了这种效应。密集的实验和分析研究Ranque-Hilsch效应开始之后,即使在今天继续。

当前研究的目的是找出最优值的冷端温度和寒冷的空气的质量和加强警察和冷却效果设计的涡流管最佳设计参数的帮助下CFD和实验技术。本工作使用先前的许多实验结果为比较提供理论近似,从而验证提出方法的描述。

研究项目的第一部分着重于利用CFD涡流管的实验准备三维流域来确定冷端温度的最优值。第二部分包括发散涡流管的设计和制造。实验测试执行建立在实验室和实验进行了确定最优值的冷端温度,冷却效果。第三部分的工作,包括比较结果的CFD分析和实验研究。

二世。文献调查

Upendra Behera, P.J.保罗[1]提出的结果CFD和涡流管的实验分析。CFD和实验研究表明,12毫米直径涡流管、冷端直径7毫米是理想的生产最大热气体时,其温度冷端直径6毫米为达到最佳的最低冷气体温度。一个实验调查是由Kirmaci Volkan[2]确定孔的影响喷嘴数量和入口压力的加热和冷却性能逆流Ranque-Hilsch涡流管当空气和氧气作为液体。Nimbalkar年代。,Muller M. R. [3] presented the results of a series of experiments focusing on various geometries of the „„cold end side” for different inlet pressures and cold fractions. The experimental results indicate that there is an optimum diameter of cold end orifice for achieving maximum energy separation. Bramo, A. R., Pourmahmoud N. [4] performed computational fluid dynamics analysis in an attempt to investigate the effect of length to diameter ratio on the fluid flow characteristics and energy separation phenomenon inside the Ranque-Hilsch vortex tube. In this numerical study, performance of Ranque-Hilsch vortex tubes (RHVT), with length to diameter ratios (L/D) of 8, 9.3, 10.5, 20.2, 30.7 and 35 with six straight nozzles was investigated. It was found that the best performance was obtained when the ratio of vortex tube length to the diameter was 9.3. Chang K., Li Qing, Zhou G., Li Qiang, [5] performed Experimentation with hot divergent tube and found that the Energy separation performance of vortex tube can be improved by using a divergent hot tube.

三世。涡流管的设计

设计约束:

几何参数对涡流管的设计起到非常重要的作用对涡流管的性能。因此,许多研究人员描述几何参数的最优值最好的涡流管的性能。因此遵循以下限制:

1)获得的最大温差在冷端,比L / D应该保持在20 L / D≤≤55.5。

2)最优值的直流在冷端最大温差和最大效率一直作为直流ª0.5毫米。或者应该是在0.4 < dc / D < 0.7

3)寒冷的质量分数是最重要的参数表明涡流管性能和温度/在涡流管能量分离。冷质量分数的定义是寒冷的空气质量流率比进气质量流量。这是由,yc = mc / mi。它给更好的结果的温度下降yc = 0.3至0.4的范围。

4)几何最高温度下降,涡流管的管截面积之间的关系后,喷嘴截面积和冷端孔的截面积,一个/ 0.084 = 0.11和Ac / 0.08 = .145。

5)减少锥形淡水河谷角有积极影响涡流管的性能,但是不要太多的区别是观察到的温度降低。因此最好使用小角锥形阀为了提高涡流管的性能。

6)涡流管的原理图是图2所示,由下列部分组成

b .涡流管的术语:

涡流管的原理图是图2所示,包括以下部分:

一)主要分歧管,

b)涡流室,

c)冷端孔,

d)控制阀(锥形),

e)热结束

室部分喷嘴在同一平面上的喷嘴和促进高速气流的切向入口变成热。一般来说,钱伯斯不是圆形的形式,但他们正逐渐转化为螺旋形式。热侧柱的横截面,不同长度,按设计Parulekar教授提出了三维热侧的有效长度为涡流管的有效操作。控制阀阻碍流动的空气通过热,它还控制通过涡流管热空气的量。

四、计算流体动力学分析

答:在计算流体动力学控制方程:

计算流体动力学,以一种形式或其他基于流体动力学的基本控制方程,

一个¯·连续性方程,

一个¯·动量方程

一个¯·能量方程。

这些方程流体物理学说话。他们是三个基本物理原理的数学陈述的所有流体动力学为基础。连续性方程是基于质量守恒的原则。

净质量流量的控制体积=时间质量内部控制体积的下降速度

质量守恒方程:

b .边界条件:

这项工作中所使用的边界条件是静态的压力与温度进气涡流管和静压的冷和热。域表面用作墙与无滑动条件。所有细节都在表I。

c .网格生成:

域的ANSYS ICEM用于歧视。流使用的网域是六面体的细网格域。创建一个高质量的六面体的非结构化网格,如图3所示。

d网格参数:

不。六元素:1200380,最小角:18°,纵横比:1.9,质量:0.17。

大肠的CFD结果5、6和7毫米孔直径与5酒吧入口压力:

图4显示的总温度等值线在中心平面涡流管7毫米孔。

总温度轮廓图显示了在涡流管总温度对热与冷端。从图4、5和6,它可以观察到,由于高回旋流温度会增加向外的一面直径意味着温度低的中心管,增加了对管的外面。也对冷端温度继续降低&热年底前得到增加。

诉测试设置

这个项目的目的是获得最高温度下降。所以,有需要合适的温度传感装置和一些测量和显示温度的方法。在我们建立我们使用三个RTD温度传感器和数字指标。我们也需要通过系统测量空气的流动。灌输¢s为什么我们使用转子流量计流量测量装置。FRL(过滤器,监管机构和润滑器)单位也需要过滤器确保空气清洁无灰尘、水分和磨料粒子。监管机构也用于控制压力压力指示器提供指示的压力。注油器是用来润滑空气。实验的设置是图7所示。

使用的组件的列表如下:

1。空气压缩机,

2。F.R.L.单元,

3所示。涡流管,

4所示。转子流量计,

5。温度传感器和指标,

6。气动管道连接器,

六。分析结果和讨论

答:简介:

在这一章,总结了CFD分析和实验研究的结果和相对比较提出了。在这工作的设计、制造、分析和CFD模型的涡流管冷空气温度和空气质量流量进行了。在现在的工作中,CFD模型以及实验模型计算冷空气温度和空气质量流率在不同压力和不同的冷端孔已经开发出来。本文提供的实验结果进行了验证并与CFD结果。

b .结果与讨论:

比较实验结果和CFD分析结果对普通冷空气温度和空气质量流率见表II和III。

c .讨论:

从上面结果发现有非常少的价值观差异冷空气温度和质量流量从实验获得技术和CFD分析方法。它也以图形的方式说明了在图8中,9、10和11如下:

七世。结论

实验和CFD进行工作显示了下面的结果来确定寒冷的空气温度和寒冷的空气涡流管的质量流率:

1。CFD分析是一个非常有用的工具在涡流管的设计和分析。

2。CFD的完整视图使寒冷的空气涡流管的温度。

3所示。核心区域的CFD分析显示温度低于0°C的冷孔不同组合的进气压力,进气喷嘴和冷端孔。

4所示。发现,增加进口喷嘴数量,增加进气压力和减少寒冷的空气孔直径dc = 5毫米,减少冷空气在涡流管的冷端温度。

在寒冷的质量流率,其价值的内部直径增加而增加冷端孔,但寒冷的空气温度高于5毫米的冷端孔。

引用

Upendra Behera P.J.保罗,s . Kasthurirengan“CFD分析和实验研究对优化参数兰克-赫尔胥涡流管,“国际期刊的传热传质01/2005;DOI: 10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2004.12.046。
Kirmaci Volkan”,(火用)分析和性能的逆流Ranque-Hilsch涡流管在不同喷嘴数量在不同入口压力的氧气和空气,”国际制冷学报,32岁,2009年,pp.1626 - 1633。
Nimbalkar年代。,Muller M. R., “An experimental investigation of the optimum geometry for the cold end orifice of a vortex tube,” Appl. Therm. Eng., 29, 2009, pp. 509–514.
Bramo, a。R。,Pourmahmoud N., “CFD simulation of length to diameter ratio effects on the energy separation in a vortex tube,” IJRRAS, 2011, pp.1-16.
Chang K。,Li Qing, Zhou G., Li Qiang, “Experimental Investigation of Vortex Tube Refrigerator with a Divergent Hot tube,” International Journal of Refrigeration, 34, 2011, pp.322-327.
Eiamsa-ard, S。,“Experimental investigation of energy separation in a counter-flow Ranque– Hilsch vortex tube with multiple inlet snail entries,” International Communications in Heat and Mass Transfer, 37, 2010, pp. 637–643.
自从Arjomandi Yunpeng雪。,“An investigation of the effect of the hot end plugs on the efficiency of the Ranque-Hilsch vortex tube,” Journal of Engineering Science and Technology.Vol.2, No.3, 2007, pp.211-217.
天雪,Y。,Arjomandi, M., “Visualization of the flow structure in a vortex tube,” Experimental Thermal and Fluid Science, 35, 2011, pp.1514- 1521.
Yunpeng雪,自从Arjomandi。,“The effect of vortex angle on the efficiency of the Ranque–Hilsch vortex tube,” Experimental Therm. Fluid Sci., 33, 2008, pp.54–57.
天雪,Y。,Arjomandi, M., R. Kelso, “A critical review of temperature separation in a vortex tube,” Experimental Thermal and Fluid Science, 34, 2010, pp. 1367–1374.
Prabakaran, J。,Vaidyanathan, S., “Effect of orifice and pressure of counter flow vortex tube,” Indian Journal of science and Technology, Vol.3 (4), 2010, pp.374-376.
Dincer, K。Avci,。,Baskaya, S. Berber, A., “Experimental investigation and energy analysis of the Performance of a counter flow Ranque- Hilsch vortex tube with regard to nozzle cross-section areas,” International Journal of Refrigeration, 33, 2010, pp. 954 -962.