“能量分离”是指流体在无外力做功或热交换的情况下自发产生一部分高温区域和另一部分低温区域的现象。涡流管是一种能量分离装置,气体在喷嘴内经过压缩膨胀,进入涡流管高速旋转,经过涡流变换后分离成高低温两股不同的气流。射流、涡流、绕钝体流等流体内也会产生能量分离,但与涡流管内的能量分离机理不同。当前,国内对能量分离现象的研究主要集中在涡流管及涡流板等技术应用层面,对流体领域内的能量分离涉及极少,而国外对此做了很多实验性和理论性的深入研究。迄今为止,流体领域内的能量分离机理还没有确切理论进行解释。因此基于国外成功的实验和数值研究经验和无量纲湍流控制方程,对于国内这一鲜有涉足领域,本文引入空气自由射流,在充分利用前人理论和实验方法的基础上,探究空气自由射流能量分离的形成机理。数值模拟入口速度均为亚音速时空气自由射流的能量分离现象,并考虑速度(Re数)、压力、声激励因素对能量分离现象的影响,得出一系列结论。具体的研究内容如下:(1)通过FLUENT软件,采用UDF功能数值模拟了空气自由射流入口Re数为410000的自由射流流场,给出空气自由射流流场能量分离因子分布云图、总压分布云图、涡量分布云图并分析了轴向不同位置处的能量分离因子分布。数值模拟结果清晰地表明了空气自由射流的能量分离产生、增大、减弱直到消失的过程,证实了亚音速下空气自由射流能量分离现象的存在。除却粘滞力耗散和热传导作用,空气自由射流的能量分离现象与涡旋运动伴生的压力波动紧密相连。(2)数值模拟了不同声激励频率下空气自由射流流场内涡量分布和总压分布,并给出了流场内能量分离因子随轴向变化曲线。发现声激励能够显著改变空气自由射流涡旋结构,增强涡旋配对融合过程,增强空气自由射流流场内压力波动,使空气自由射流能量分离现象得以显著增强。(3)亚音速且考虑剪切力条件下,数值模拟了不同Re数下空气自由射流流场能量分离现象,给出了能量分离因子随轴向不同位置的变化曲线。得知在一定范围内(Re:96000~116000),增大Re数,可以增强空气自由射流流场内能量分离效应,而Re数超过116000时,随着Re数的增加,空气自由射流入口温度增加,流体粘性增大,能量耗散与热损失增大,能量分离效应减弱。(4)亚音速忽略剪切条件下,数值模拟了不同Re数下空气自由射流流场能量分离现象,给出了能量分离因子随轴向不同位置的变化曲线。完全由压力波动造成的空气自由射流能量分离要明显强于粘性作用参与的空气自由射流能量分离。随着Re数的增加,涡旋运动产生的压力波动增加,能量分离因子增加。当空气自由射流入口速度为0.9 Ma数,Re数为410000时,压力波动所占影响比重可达到70.1%。(5)借助谱分析手段,给出忽略剪切力条件下不同入口速度情况下空气自由射流流场内速度频率密度功率谱图和总温频率密度功率谱图。深入解释了空气自由射流能量分离机理。