引言涡流管是一种不需要电能等其他动力，仅依靠压缩气体为动力源，就能获得冷热流分离的装置。涡流管可满足快速降温的要求，具有一定的经济适用性。涡流管无运动部件、结构小巧、安装操作方便，可适用于各种高温、高污染等恶劣环境。Ranque[1]最早发现涡流管能量分离现象。由于Ranque将流体总温和静温的意义混淆，遭到了质疑，因此并没有引起人们的关注。1945年Hilsch[2]重新对涡流管展开研究，从涡流管的性能应用等方面提出诸多建议。此后，国内外学者开始对涡流管进行深入研究。涡流管同时具有制冷、制热功能，主要将其应用在制冷领域。但目前涡流管存在制冷效率低的缺点，限制了其更多应用。文中将从理论研究、数值模拟和实验研究等3个方面对涡流管的发展进行分析总结，包括选取合适的结构及操作参数来提高制冷效率。1涡流管工作原理1.1涡流管结构和工作原理涡流管由涡流室、喷嘴、冷热端管、冷端孔板、热端控制阀6个部分构成，涡流管结构和工作过程如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.021.F001图1涡流管结构示意图工作时，压缩气体从喷嘴进入，膨胀加速至音速，沿切向射入涡流室内，形成高速旋转涡流。涡流室是气流转变成自由涡流的场所，通常将喷嘴与涡流室设为一体。冷热分离的发生场所是热端管，气体向热端管流动时，轴心气体膨胀，根据理想气体状态方程，轴心气温随压强减小而降低。近壁面气体被压缩，且存在摩擦耗散，使得气温升高，最终通过热端控制阀引出管外。热端控制阀同时还具有调节冷热气流流量比的作用。轴心气体受热端控制阀的阻挡，且存在内外层流体压差，流向发生转变，产生回流，由冷端孔板引出至冷端管，从冷端管流出。由此实现涡流管的能量分离。冷端孔板也能阻挡涡流室未分离气体从冷端管流出。涡流管工作过程的T-S图如图2所示。1-2过程表示进入喷嘴前P0大气压气体等温压缩成压力为P1的高压气体。2-3＇过程表示气体在理想情况下，进入喷嘴后发生定熵膨胀，入口压力温度P1、Ti分别降低至出口压力P2和定熵膨胀温度TS。根据定熵过程关系式cdc=-vdp，气体速度随压力降低而增大，喷嘴起降压增速作用。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.021.F002图2涡流管工作过程的T-S图实际气体进入喷嘴后进行的是不可逆绝热膨胀，即熵增过程，由2-3过程表示。此过程气体吸收了为克服摩擦损失产生的动能所转变成的热能，增加了气体焓值。2-6表示等焓过程。气体在涡流室内产生分层，3-4表示内层气体膨胀，温度降低到冷端温度Tc，形成冷气流过程。3-5表示外层气体压缩，温度升温至热端出口温度Th，形成热气流过程。这两个过程实现涡流管内气流的热力学能量分离。1.2热力学分析由涡流管工作原理可知，通过该元件可获得冷热流，在实际应用领域中，人们更注重涡流管的制冷性能，提高涡流管制冷效率成为研究的主要内容。分析涡流管的制冷效率可从热力过程着手，涡流管热力系统如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.021.F003图3涡流管热力系统图假设涡流管内部流动是稳定流动，理想气体作为工质，外界与系统无热量交换。令冷气流率：xc=mc·mi· (1)冷端温差：ΔTc=Ti-Tc (2)式中：mi·—涡流管入口质量流率；mc·—涡流管冷端出口质量流率。涡流管内流体会有一定的流动损失，利用熵增原理对图3虚线所示进行分析。由于冷热端气流出口的总熵大于进口气流的总熵，则 ：cpln[(ThTi)(1-xc)(TcTi)xc]-Rgln(PaPi)≥0(3)Th1-xcTcxc≥Tipipa1-kk (4)令：θh=ThTi ，θc=TcTi ，则式（3）整理为：θcxc1-xcθc1-xc(1-xc)≥π1-kk （5）涡流管内气体常数k和压力比π值是确定的，式（4）只与xc和θc相关。涡流管内气体流动是不可逆绝热膨胀，既熵增过程，利用熵增过程分析不可逆损失情况，推导出冷气流率随入口温度和冷端出口温度的变化关系，对涡流管制冷性能研究具有重要指导意义。1.3涡流管制冷性能分析制冷效应为冷气流的温度Tc加热到入口气流的温度Ti时所需要吸收的热量，用Qc表示。Qc=m·cpTi-Tc=m·xccpΔTc (6)单位制冷量：qc=Qcmi·=xccpTi-Tc=xccpΔTc (7)制冷效率COP表示实际制冷量和理论所消耗功之比。COP=qcwt=xccpΔTcRTilnpcpi (8)2国内外涡流管研究发展及应用2.1涡流管国内外理论研究涡流管结构看似简单，但其工作机理异常复杂，导致至今还没有一种准确的理论来详细解释涡流管是如何产生冷热流能量分离的。国内外涡流管研究发展及应用情况如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.021.T001表1国内外涡流管研究发展及应用情况研究项目年限内容压力梯度1933年Ranque［1］假设管内层气体膨胀降温，外层气体受到压缩升温，从而实现冷热流体分离。Hilsch认可他的观点。2003年AIAA［3］认为管内受迫涡的径向压力梯度导致内外层流体的温度分离。2006年周少伟［4］等认为管内径向和轴向的压力梯度是冷热流。摩擦效应和湍流能量交换1950年Fulton［5］主张温度分离的原因是自由涡向强制涡转变时，动能通过内外层流体间的摩擦传向外层。1956年Hartnett ［6］等利用三维立体湍流旋转理论解释内外层气体温差。1959年Lay［7］以自由涡—强制涡模型为基础，提出能量分离是由于气流层间存在摩擦效应。1960年Deissler ［8］提出湍流能量迁移影响流体总温分布。1961年一些理论基于涡流管内流体和壁面之间的黏性摩擦来解释温度分离［9］。1995年颜幼平［10］等提出流体不定常性和黏性在无传热时引起能量分离。2000年吕正林［11］提出基于管内流体运动能量转化的“能量逆转”理论。传热过程1951年Scheper［12］将传热作为涡流管能量分离效应的原因。1971年Linderttotm—lang［13］认为管内湍流传热产生能量分离。1991年Ahlborn［14］将二次流循环理论等效为经典热力学过程来解释涡流管能量分离效应。2002年曹勇［15］等将换热器比拟涡流管，冷热流分离是由于流体相互做功影响。声流运动1982年Kurosaka［16］提出涡流管内声流运动引起温度分离。其他1994年巫江虹［17］利用管内气体焓值变化解释涡流管能量分离现象。1997年唐玉立［18-19］认为喷嘴制冷是绝热不可逆节流过程，涡流室制冷是边缘气体克服离心力向轴心运动，气体分子平均动能转化为位能的过程。以上理论实质都与不同层流间的能量转移有关，能量转移涉及多种因素，其中以压力和摩擦因素为主。内外层流体间的能量传递在分离过程中起重要作用，分析不同层流间能量传递将是研究涡流管分离机理的有效手段。2.2数值理论研究计算流体动力学是通过在计算机中模拟真实流动来进行研究。数值模拟具有不受实验条件限制，无需搭建实验台，节省时间和费用的优势。选取合适的湍流模型进行计算，便可直观的获得管内流场情况。数值理论研究情况如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.021.T002表2数值理论研究情况湍流模型适用条件及特点研究内容Standard k-ε适用完全湍流，不适用对旋流，强分离流动。精度合理，计算少，计算机要求低，对复杂模拟效果不佳。Frohlingsdorf［20］等采用k-ε模型计算管内流场，认为轴流膨胀引起冷热分离。Aljuwayhel［21］模拟说明气流间传热以及切、轴向剪切功引起能量分离。何丽娟［22］等模拟分析流动过程中，径向压力、温度升高，轴心温度低于边缘温度。RNG k-ε适用复杂剪切流，模拟复杂流动，受制于各向同性假设。Behera［23］ 等模拟发现管中存在二次流循环降低制冷效率。Realizable k-ε适用复杂旋转的均匀剪切流、边界层流动、腔道流动和自由流。精确模拟射流扩散速度，受制于各向同性假设。周少伟［24］等模拟提出径向、轴向压力梯度是能量分离的主要原因，利用切向速度产生的离心力判断分离效应。王朋涛［25］等利用模拟证明涡流管内存在明显循环流。LES适用大涡流模拟复杂流动，受制于各向同性假设。Farouk［26］等模拟提出即使存在较大温度分离，由于扩散效应的存在，也只能观测到很少气体分离。ASM适合雷诺应力具有各向异性，受封闭模型限制。Eiamsaard［27］等模拟表明平均动能的耗散影响冷热分离效果，且发现ASM模型精确度更高。研究显示，数值模拟能够充分反映涡流管内部场变化情况，实验结果与模拟结果较接近。其中Standard k-ε模型应用最广，但在复杂旋流模拟上存在较大误差，因此发展出了Realizable k-ε和RNG k-ε模型。这两种模型精度更高，但是受涡流黏性各向同性假设限制。ASM模型不存在各向同性假设问题，但受封闭模型的限制，仅适合具有明显各向异性的雷诺应力时。LES模型将大涡和小涡分开模拟，对计算机配置要求较高。模拟时要根据流动条件，选用合适的湍流模型。2.3涡流管实验研究实验是涡流管研究的重要部分，随着研究的逐渐深入，实验方法也在不断更新。起初研究者提出了流动可视化方法。最开始研究者采用染料、碳粉以及烟气等填充进涡流管，管内流动过程很不清晰。Arbuzov[28]等采用希尔伯特显像法进行实验，首次观察到流体在管内轴线处形成强旋流。这种实验方法能根据不同气流密度，显示不同颜色，便于观察。可视化实验只能观察到涡流管内流体流动的大概情况。实验的主要部分是测量管内流体压力、温度和速度的分布情况。温度和压力可以利用探针接触式测量方法直接测量，比如毕托管测压力，热电偶测温度。流速不能直接测量，利用毕托管测量出压力，根据伯努利方程计算出结果。但这种测量方法无法得到整个流场分布情况，激光多普勒测速仪的发展解决了这一难题。激光多普勒测速仪的原理就是借助示踪粒子，示踪粒子的速度就是流场的速度。Burow[29]等选择石蜡油作为示踪粒子，利用激光可视化成功的测量到流场速度。李玲[30]利用透明涡流管和激光开普勒测速仪搭建实验台，测量出流场速度。2.4涡流管应用涡流管结构小巧，无运动部件，造价低，仅需高压气体为动力，就能实现制冷效果，适合使用在需要制冷且环境较恶劣场所，解决工业领域上的制冷难题。涡流管主要应用在以下方面：（1）冷却气体，比如进行输送前的天然气冷却；（2）分离气体，如分离天然气中的轻烃类、处理排放尾气；（3）冷却设备，如制作矿下空调室，改善井下作业人员工作环境、给屏柜中的电子设备散热、给内外科手术需要冷冻的部位冷冻。涡流管理论上可用于家庭空调，但其需要配备空气压缩机来提供高压入口气体，噪声过大，所以在家庭空调方面不实用。涡流管更适用于在连续不中断运行的工业领域，作为即开即用的制冷设备。3研究现状以及未来方向的预测3.1研究现状随着涡流管应用领域的日益广泛，其制冷效率已经远不能满足实际应用，因此提高制冷效率是当下研究的重点，提高涡流管制冷效率的研究方向如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.021.T003表3提高涡流管制冷效率的研究情况研究方向影响因素研究内容结构参数喷嘴结构喷嘴流道数和流道形状对涡流管制冷性能有影响。制冷效率随流道数的增加呈先提高后下降趋势，通常选取3～6个喷嘴流道数［31-34］。喷嘴流道形状分为直线型、渐缩型、阿基米德螺线型，实验表明渐缩型喷嘴的涡流管制冷性能最好。热端管长度热端管长度L通常与涡流室直径D一起考虑。适当增加热端管长度，能提高制冷效率 ［21，23］。L/D≤20 时，制冷效率下降； L/D≥55.5 时，能量分离效果不明显。推荐的L/D取值范围为20≤L/D≤55.5［35-36］。冷端孔板直径冷端孔板直径dc是冷气流导流通道，孔径大小直接影响能量分离效应，通常与涡流室直径D作为同一影响因素。推荐dc/D的取值范围是0.4～0.6［14，36］。操作参数入口压力入口压力是唯一动力源。入口压力越大，制冷效率先增大后减小［36-39］。冷流率冷流率是冷端出口流量和入口流量之比，冷流率较小，制冷效应就较好［40］。一般冷流率为0.2～0.4时，能达到最佳制冷效果［39，41］。工作介质工质的摩尔质量影响涡流管的冷热分离，摩尔质量越大，制冷性能越好。条件相同时，氧气、二氧化碳、氮气、氩气等4种气体中，二氧化碳制冷效果最好，其次是氩气、氮气和氧气［42］。喷嘴流道数过少，旋流不足以支撑冷热流分离；喷嘴流道数过多，会形成强旋流动，冷热流体互相掺杂，降低制冷性能。热端管长度较短冷热流分离不完全就被排出，长度过长旋流不够维持能量分离。冷端孔口直径过小会产生二次循环流；孔板直径过大，未经分离气体会从冷端出口流出。入口压力增大，旋流速度增大，内层气体向外层气体做功增强，制冷效率增大。但受喷嘴临界压力限制，速度最大只能到音速，因此入口压力增大，制冷效率不能一直增大。冷流率较大时，会增大制热效应。因此结构参数和操作参数都存在一个最佳值，使得涡流管制冷效率最高。3.2未来研究方向的预测涡流管经过几十年的发展，研究进展较快，但仍存在一些问题亟须解决，从理论研究、数值模拟和实验研究等3个方面来对涡流管进行总结与分析。（1）理论研究方面。管内流体间具有摩擦效应，进行的是不可逆传热过程和三维可压缩湍流流动。由于流动和能量传递过程的复杂性，使得涡流管理论研究较为困难，至今没有准确的理论来解释能。从热力学角度对涡流管能量分离机理分析，以及输出性能的评价，是未来学者研究的重中之重。（2）数值模拟方面。利用模拟软件计算出涡流管内部场的变化规律，分析制冷效率，揭示能量分离机理。但数值模拟会受到湍流模型选择和边界条件设置等问题的影响，通常与真实情况存在误差。后续针对涡流管的研究要基于实验和数值模拟结合的方法，并改进湍流模型，提高模拟精确度。（3）实验研究方面。涡流管主要进行的是宏观方面的研究，由于涡流管空间狭小，采用接触式探针测量会对流体流动产生一定扰动，影响结果，因此微观化的涡流管实验研究将是后续研究的重点。4结语涡流管作为制冷元件，具有体积小巧、无运动部件且费用低，可在多种场合下应用的特点；但是其缺点也是突出的，其制冷效率较低，使得其应用受到限制。根据涡流管发展，对涡流管从理论、数值和实验三方面进行概括与总结，有助于加深对涡流管的认识, 对涡流管的优化设计和实验的开展具有指导意义，同时本研究对下一步对涡流管进行整体性能优化，得到形成稳定的制冷条件，为推动涡流管普遍使用提供一定的参考。