能量分离效应是指流动的工质在没有外界做功与传热时,在特殊的工况条件下,而自发地分离成总温不等的两部分气流,此现象存在于许多种流体运动当中,例如:边界层分离、圆柱扰流等。涡流管正是基于这种能量分离效应而进行制冷与制热的新型能量分离设备。涡流管,又称兰克·赫尔胥(Ranque-Hilsch)管,是一种易维修,便携式,仅需高压气体即可分离出高温和低温两股低压气流的设备。正是因为涡流管结构简单,操作方便,维护造价低等优点,应用在诸多工业领域。对涡流管性能的影响因素主要可以分为操作参数和几何结构参数,操作参数主要包括涡流管内工作介质的入口压力、入口温度以及工作介质的种类等因素;结构参数主要是几何参数的影响,即涡流管各个结构尺寸的变化,这些结构参数的不同变化组合一起决定涡流管能量分离效应的好坏。截止目前,诸多学者对一些较大管径的涡流管的几何参数进行了探究,同时就不同操作参数对涡流管性能的影响也进行了相应的探究。但是目前涡流管的工作效率依旧不是很好,消耗的能量也相对较大,所以就极大的限制了它的推广和应用,因此本文设计出结构紧凑、重量较轻、体积较小的小管径涡流管来满足市场需求。本文自行设计小管径涡流管实验样机,搭建涡流管性能测试实验台,对涡流管性能影响因素进行实验研究。性能影响因素主要包括以下两方面,操作参数(入口压力,工作介质)和结构参数(热端管长度、喷嘴流道数、冷孔板孔径),对涡流管能量分离效应影响进行分析,寻求涡流管的最优结构。并对涡流管热端管壁面温度进行测量,分析管内气流流动。对操作参数进行研究:实验结果表明,在实验范围之内,以二氧化碳为工作介质时,随着入口压力的增大,涡流管的能量分离效应出现先增大后减少的趋势,且在入口压力为0.4MPa时,出现最佳能量分离效应。对几何结构参数进行研究:实验结果表明,在实验范围之内,当热端管长度为125mm时,涡流管获得最佳能量分离效应;喷嘴流道形状采取圆形渐缩形喷嘴,且在喷嘴流道个数为6的时候,涡流管获得最佳能量分离效应;随着冷孔板孔径的增大,涡流管的能量分离效应出现先增大后减小的趋势,且在冷孔板孔径为2.5mm时,涡流管获得最佳能量分离效应,最佳制冷、制热效应分别为29.3℃、35.9℃。