涡流管以其独特的能量分离现象,在制冷、天然气和航天等工业领域具有重要的应用前景。由于内部存在着复杂的流体运动和传热传质过程,涡流管能量分离机理和优化设计尚未得到解决,成为制约其发展的重要问题。本论文从涡流管流场结构和流动非定常振荡特性出发,采用数值模拟与可视化实验相结合的手段研究了强旋流流场内大尺度涡结构对流场中质量传递与能量传递过程的影响,揭示了涡流管内流动分离和能量分离机制,并提出了新的优化设计方法,具体研究内容与结果如下:首先,对比分析了采用稳态数值计算得到的二次环流结构与采用非稳态数值计算得到的进动涡核结构的区别,阐明了这两种不同流动结构的产生机制与流动特性,发现了控制强旋流流场结构的非定常特性。通过非稳态数值计算求解流场结构,发现了涡流管内强旋流流场中的涡破碎现象;依据涡破碎理论,将涡核尺度与轴向压力梯度耦合分析,得到了以折返流边界为显著特征的流动结构在不同冷流比下变化规律,并发现折返流边界形状与能量分离性能紧密相关的特征。通过对监测点速度时间序列进行频谱分析,揭示了流场结构呈现出周期振荡特性;发现了进动涡核结构对其周围流场有显著影响,使其表现出同一特征频率振荡;此外,改变冷流比对流场中质点振荡影响较小,而升高入口压力带来的性能提升可归结为流场振荡特征频率的增大。其次,采用PIV和LDV非接触式测速设备对流场进行了瞬态和时均态测试,得到了在不同管长、冷流比和入口压力下的轴向及径向速度场分布,捕捉到了涡破碎现象及位于折返流边界上进动涡核的大尺度涡结构。揭示了在过短管和过长管中折返流边界随着冷流比的增加呈现两种相反模式的变化规律;该变化规律分别对应了两种不同的能量分离性能恶化机制。发现了轴向滞止点并不是一种基本的流动结构,而仅出现在性能次佳状态的流场中。在不同入口压力下流动结构具有相似性,改变入口压力对折返流边界分布影响较小。此外,通过LDV速度场结果验证了数值模型的准确性。再次,通过研究流场振荡特性对内外层之间能量传递的影响,揭示了进动涡核这一大尺度涡结构决定涡流管内流动分离和能量分离过程,建立了基于微元周期性振荡进行逆温度梯度能量输运的类热泵能量分离模型,并指出进行该热泵循环所需功量为进动涡核振荡所提供,折返流边界形状与流场振荡特征频率决定了能量分离性能。最后,通过联立外部条件、大尺度流动结构和流动分离、能量分离过程,提出了涡流管主流道结构优化设计准则,并基于涡结构分析求解纳维-斯托克斯方程,给出了主流道关键参数优化设计程序。