Experimental and numerical study on energy separation in vortex tube with a hollow helical fin (Joint research)

中空螺旋状フィンを有するボルテックスチューブにおけるエネルギー分離に関する実験的および数値解析的研究(共同研究)

呉田 昌俊   ; 山形 洋司*; 宮腰 賢*; 増井 達也*; 三浦 義明*; 高橋 一憲*

Kureta, Masatoshi; Yamagata, Yoji*; Miyakoshi, Ken*; Mashii, Tatsuya*; Miura, Yoshiaki*; Takahashi, Kazunori*

ボルテックスチューブにおけるエネルギー分離を促進するために、新たに設計した中空螺旋状フィンを管内に挿入した。本報では、3種類の管を用いて、フィンがエネルギー分離に及ぼす影響を実験的に調べ、次に、数値流体力学(CFD)シミュレーションを行い、実験結果と中空螺旋状フィン付き管内の流動構造との関係を研究した。実験データから、フィンがエネルギー分離を促進し、管長を短くできることがわかった。入口空気圧が0.5MPaのとき、入口から出口までの最大温度差は62.2Cであった。レイノルズ応力モデル(RSM)乱流モデルを組み込んだCFDコードを用いて流体解析をした結果、フィン無とフィン有の場合とで淀み点の位置が大きく変わり、流動構造が全く異なることを確認した。中空螺旋状フィンによって、低温側フィン端と淀み点との間に小さな循環渦構造を持つ強い反転渦流が形成され、乱流運動エネルギーが大きな領域が生成されることによってエネルギー分離が促進されたと考えられる。

To enhance energy separation in a counter-current Ranque-Hilsch vortex tube, a newly designed hollow helical fin was inserted into the hot tube of the vortex tube. In this study, the effect of the fin on the energy separation was investigated using three types of the vortex tube, and then computational fluid dynamics (CFD) simulation has been conducted to understand the experimental results and discuss the flow structure in the vortex tube with the hollow helical fin. As a result, it was found from the experimental data that the fin effectively enhanced energy separation, and that the tube length could be shorten. When the inlet air pressure was 0.5 MPa, the maximum temperature difference from the inlet to the cold exit was 62.2C. The CFD code employing the Reynolds Stress Model (RSM) turbulence model was used to analyze the fluid dynamics in the vortex tube. As a result, it was confirmed that the temperature, velocity, and pressure distributions changed significantly at the stagnation point, and that the distributions in the tube with the fin were completely different from those without the fin. It was thought that a strong reversing helical vortex flow with small recirculating vortex structure formed between the fin end and the stagnation point on the cold exit side would enhance energy separation in the vortex tube with the hollow helical fin.