一种增压削涡的气波流道内微结构的设计方法

技术领域

本发明属于转毂式激波制冷机增压技术领域，涉及一种增压削涡的气波流道内微结构的设计方法。

背景技术

气波制冷机是一种利用气体自身压力能膨胀制冷的新型制冷设备，具有高膨胀效率、低维护成本及可带液操作等优点，因此相对于造价高昂和维护复杂的透平制冷机具有更为广阔的发展前景。转毂式气波制冷机的整体结构较为简单，主要由高速气波转子和外循环结构组成，其在天然气脱水净化、液烃回收及化工尾气回收等多个领域都有广泛的应用。然而在制冷过程中气波机转子中的基本单元—气波管的内部流动特性、热力学效应及其两者的交互作用非常复杂，气波管的形貌因素对流道内气体的流动特性影响甚大从而改变气波机的等熵膨胀率，据此，对气波管的各式改型以提升气波制冷机的制冷效率是国内外长期探究的重点方向。

目前对气波管的结构改型多集中于宏观尺度上，因此管流截面形貌的优化设计多被研究，现有技术文献1刘培启等人专利公开号CN206803547U的“一种双开口型变截面气体波制冷机”，利用气波管内变截面的结构，使得反射膨胀波在不受反射激波或反向压缩波干扰的情况下发生，增强了反射膨胀波的强度，但同时抑制了正向激波的传递强度，降低了波后气体的膨胀深度，削弱了预冷气体的温降幅值；现有技术文献2邹久朋等人专利公开号CN205448390U的“中部阻波腔隔离式气波管”，在每一根气波管的中段设置有限容积的阻波腔，其两端分别与气波管前段和气波管后段连接并贯通，内部形成一条先扩张再收缩的流道，让气波管前段的内通流截面积小于后段管通流截面积。使管内的反射激波在阻波腔中得到缓冲并耗散能量，减少对已制冷气的直接加热，但阻波腔会耗散高压进气的压力能。

发明内容

本发明针对宏观尺度下的气波管改型难以抑制流道内高低压气体发生混合损失的缺陷，旨在不改变气波管的宏观形貌条件下在气波管内壁面添加微结构，以克服气波管高压进气阶段湍流涡造成的压力能耗损，气体掺混等影响。从气波管单流道计算模型建立及流道单制冷周期流动状态数值模拟入手，开展流道连续高压进气阶段湍流涡成因及影响研究，发明一种增压削涡的气波流道内微结构设计方法。该方法在常规尺寸气波机的基础形貌上进行改进，以气波管管流摩擦阻力及管内湍流粘性底层厚度为约束条件，获得微结构尺寸参数区间，设计多组以深度/宽度因素为变量的正交对比仿真方案，建立增压削涡效果评价方法，对比仿真结果得到具有最佳增压削涡效果的微槽深宽配合尺寸参数。该方法设计的气波管内壁面增压微结构诱发近壁面涡系发生动量交换，有效减少主流束中最大湍流涡的强度，降低了压力能转化为涡动能的损耗，对提高转毂式气波制冷机的等熵制冷效率有实际应用价值。

本发明采用的技术方案是一种增压削涡的气波流道内微结构的设计方法，其特征在于，该方法首先构造气波管计算模型，计算流道高压射流阶段射流损失，解析进气过程中流道前缘湍流涡成因，并表征气波管内壁平均摩擦系数；其次基于壁湍流的被动控制理论，虑及流道粘性底层厚度及流道实际过流面积，确定管壁微结构尺寸优化区间；之后进行正交仿真对比，分析不同深宽比配合下的微结构形貌对湍流涡的具体影响；最后建立增压削涡效果评价标准，根据标准得到最优增压削涡的微结构尺寸参数。方法具体步骤如下：

步骤一、构建气波管流动特性计算模型

a)计算气波管的当量直径d

基于气波管内流体流动状态进行分析，首先将转毂1中的气波管2简化为一维气波管，设气波管内流道宽W

湿周χ

以四倍管内过水截面积A

b)对气波管进气喷口进行数学化描述，计算因射流损失而产生的湍动能及渐开渐闭阶段射流损失

高压出气喷口4为恒压出气端。对高压进气喷口3的流速分布进行简化，忽略流道内气体的质量力，喷口处为一维泊肃叶型速度分布：

其中，v

设h

其中，k

步骤二、表征气波管内壁平均摩擦系数

取一维气波管中的轴向长度为L的气波管前缘中长度为dx的控制体7进行分析，设壁面对气体的切向应力为τ

定义管内壁摩擦阻力系数为C

对控制体7列动量方程，并积分得：

其中，M

利用公式(6)以Ma

最终以进气端面5及出气端面6的马赫数表征了平均摩擦系数

步骤三、顺流向矩形截面微结构尺寸参数设计

利用顺流向微结构的削涡特性，在气波管内壁面2a上设计了一种顺流向矩形截面微结构2b。微结构尺寸的约束条件为：

1)设计深度D

2)若顺流向矩形截面微结构2b需要有效干扰因入射损失产生的涡系相干结构，则微结构间距S

3)考虑到高压进气喷口3处产生的高压入射气流呈为一维泊肃叶型分布，为扩大顺流向矩形截面微结构2b的削涡特性，需要将顺流向矩形截面微结构2b呈一定偏置角α布置在流道内，偏置角α的计算方法为：

其中，Re为流道内气体的雷诺数，A

结合以上条件和公式得到微结构的深度、间距、宽度、偏置角、条数的具体设计参数范围。

步骤四、取不同深宽配合的微结构尺寸参数，进行正交对比实验；

在上述计算得到的微结构尺寸范围中取M组不同深宽配合的尺寸参数，用于正交仿真对比实验；利用三维建模软件建立转毂整体模型并导入Fluent中，抽取单通道流道流体域，并划分结构化网格，按照实际运行状态即压力进口-压力出口等设计边界条件，选择大涡(LES)模型进行动态仿真。

步骤五、建立增压削涡效果评价标准，得到最优微结构参数配合条件；

以Q判据标定最大涡动能强度，给出各不同深宽配合尺寸参数的微结构气波管流道对涡动能影响；以最大涡黏强度Ω

最终，根据正交仿真实验对比结果，得到具有最佳增压削涡效果的微槽深宽配合尺寸参数。

本发明的显著效果和益处是针对转毂式气波制冷机膨胀深度不足，宏观改型后流动特性改变等实际问题，从数值计算模型入手，发明一种基于壁湍流被动控制理论的气波管内壁面增压削涡微结构参数设计方法，在常规尺寸气波机的基础形貌上进行改进，以气波管管流摩擦阻力及管内湍流粘性底层厚度为约束条件，获得微结构尺寸区间，设计多组以深度/宽度因素为变量的正交对比仿真方案，建立增压削涡效果评价方法。对比仿真结果得到具有最佳增压削涡效果的微槽深宽配合尺寸参数，在不改变现有流道的宏观流动特性情况下，被动控制主流束湍流涡强度。该方法具有泛用性强、计算过程简单、加工可行性高等特点，在不改变现有流道的宏观流动特性情况下，气波管内壁面增压微结构诱发近壁面涡系发生动量交换，有效减少主流束中最大湍流涡的强度，降低了压力能转化为涡动能的损耗，提高转毂式气波制冷机等熵制冷效率具有实际应用价值。

附图说明

图1为一种增压削涡的气波流道微结构的设计方法的流程图。

图2为转毂结构主视图，图3为转毂结构的三维局部剖视图。其中，1-转毂，1a-气道，2-气波管，2a-气波管内壁面，2b-顺流向矩形截面微结构，3-高压进气喷口，4-高压出气喷口。α

图4为一维气波管流动分析模型图，其中2-气波管，5-进气端面，6-出气端面，7-控制体，L-气波管轴向长度(mm)，dx-控制体7长度(mm)，x-控制体7到进口端的距离(mm)。

图5为气波管微结构图，图6为微结构剖视示意图。其中，2a-气波管内壁面，2b-顺流向矩形截面微结构，D

图7为微结构尺寸对流道内最大涡动能影响图，其中，曲线1-微结构深度d＝0.1mm时最大涡动能随微结构宽度w的变化情况，曲线2-微结构深度d＝0.2mm时最大涡动能随微结构宽度w的变化情况，曲线3-微结构深度d＝0.3mm时最大涡动能随微结构宽度w的变化情况，曲线4-微结构深度d＝0.4mm时最大涡动能随微结构宽度w的变化情况，曲线5-微结构深度d＝0.5mm时最大涡动能随微结构宽度w的变化情况。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

附图1是本发明一种增压削涡气波流道微结构的设计方法流程图，针对气波制冷机膨胀效率不足致使制冷效率降低等缺点，将数值仿真与理论计算相结合，明晰了气波管中气体流动状态对制冷效率的影响，实现气波管内壁面被动控制湍流涡强度的气波管增压削涡方法。该方法首先构造了气波管计算模型，分析了流道制冷周期内气体流动状态，解析了高压进气阶段流道前缘湍流涡成因；其次综合壁湍流的被动控制理论、粘性底层厚度等因素，得到了微结构具体设计参数范围；进行了正交仿真对比，对比了不同深宽比配合下的微结构形貌对湍流涡的具体影响；建立了增压削涡效果评价标准，最后得到了最优增压削涡的微结构尺寸参数。设计方法流程的具体步骤如下：

步骤一、构建气波管流动特性计算模型

选用现有的转毂式气波制冷机核心部件转毂结构如附图2、图3所示。现有转毂1中气波管2内气道1a宽W

在轮毂以2900rpm转速工作的情况下，高压进气喷口3处的进气压力为0.26MPa，进气温度为275K，根据理想气体的进气温度275K及0.26MPa的进气压力可求得高压进气的动力粘度μ近似取2×10

喷口速度的比例修正系数k

步骤二、表征气波管内壁平均摩擦系数

将转毂1中的气波管2简化后的一维气波管流动分析模型如图4所示，取轴向长度L＝40mm的一维气波管前缘中长度为dx＝3mm，据进口端x＝10mm处的控制体7进行分析，以理想气体的进气温度275K及0.26MPa的进气压力可求得临界声速为439.6626m/s，且雷诺数Re为244542，此状态下空气的绝热系数γ为1.3197。设控制体内的截面速度系数为M

设空气的密度ρ为2.7092kg/m

步骤三、顺流向矩形截面微结构尺寸参数设计

利用顺流向微结构的削涡特性，在气波管内壁面2a上设计了一种顺流向矩形截面微结构2b，如图5、图6所示。对于微结构2b的深度设计，设计深度D

若微结构2b需要有效干扰因入射损失产生的涡系相干结构，则微结构间距S

对于管内微结构2b的偏置角α设计，其中，雷诺数Re为244542，A

步骤四、取不同深宽配合的微结构尺寸参数，进行正交对比实验

将步骤三中得到的微结构深度等分为5个样本，同样对微结构宽度等分得12个样本，由此可得60组不同深宽配合的微结构尺寸参数，用于正交仿真对比实验。利用三维建模软件建立转毂整体模型并导入Fluent中，抽取单通道流道流体域并划分结构化网格，按照实际运行状态即压力进口-压力出口等设计边界条件，选择大涡(LES)模型进行动态仿真。

步骤五、建立增压削涡效果评价标准，得到最优微结构参数配合条件

以Q判据标定最大涡动能强度，给出各不同深宽配合尺寸参数的微结构气波管流道对涡动能影响。根据仿真结果生成正交实验对比表1，各微结构气波管流道对涡动能影响见图7。

由表1及图7分析得到最优微结构参数配合条件为宽1.1mm，深0.3mm的微结构形貌尺寸。根据式(13)计算动能效果η，带入表中数据0.058962J和式(5)计算结果0.079J进行计算，得到该尺寸参数具有最大增压削弱主涡系动能效果η达25.4％。在该气波转毂结构中，宽1.1mm，深0.3mm，偏置角6°的矩齿形微结构具有最佳削涡特性，降低了由入射湍涡带来的能量损耗。

表1不同深宽参数配合的微结构管削涡能力对比

该种增压削涡的气波流道内微结构的设计方法在不改变现有流道的宏观流动特性情况下，添加了气波管内壁面增压削涡微结构，诱发了近壁面涡系/流束发生动量交换，有效减少主流束中最大湍流涡的强度，降低了压力能转化为涡动能的损耗，对提高转毂式气波制冷机等熵制冷效率具有实际应用意义。