离心式逆布雷顿循环中双U型旋转圆形通道的流动损失分析

离心式逆布雷顿循环(CRBC)是一种利用离心力势能–压能转换的新型制冷循环，以工质在旋转通道内的离心和向心流动实现高效压缩和膨胀过程，为提升传统气体制冷循环的制冷效率提供了潜在可能性。本文在前期研究基础上，通过对双U型旋转圆形通道进行模拟仿真，研究通道内部流动损失机理与不同旋转数下的流动损失规律，为系统的评估及改进提供理论依据和数据支持。模拟计算结果经过实验验证，取得了良好的一致性。研究发现，离心力影响着整段管道的流动损失，科式力在径向段主要通过改变流场结构，而在轴向段通过改变流体流速来影响流动损失。随着旋转数的增加，双U型旋转圆形通道的流动损失系数呈现总体下降的趋势。当Ro > 1时，双U型旋转圆形通道的平均流动效率达到95%以上，符合离心式逆布雷顿循环对压缩/膨胀效率的要求。

随着现代经济的繁荣和发展， 人们对各类环保问题的关注与日俱增[1]。

在制冷空调领域， 具有安全、廉价、环境友好等特点的天然制冷剂也因此获得越来越多的应用机会[2]。其中，以空气为工质的逆布雷顿制冷循环，已经在飞机空调、公路运输和食品制冷等领域有着较多的实际应用[3]，并被认为具有潜在的发展前景。但是逆布雷顿制冷循环存在制冷系数低下的固有缺点，其COP 一般小于1.0，Bi 和Alrebei等人的理论研究表明，要实现和常规制冷系统相当的COP，其压缩/膨胀效率应高达95%以上[4] [5]，造成这种情况的关键原因是逆布雷顿循环的压缩/膨胀过程中存在远超循环净功的内部功传递，这使得系统性能对压缩/膨胀过程的效率十分敏感。

一般采用共轴膨胀/压缩机来实现内部功传递， 它实质上实现的是一个压能–功–压能的能量转换过程，效率一般在80%左右，远低于逆布雷顿循环对压缩/膨胀效率的要求[6]。为了解决这个问题，王厉[7]于2017 年提出了离心式逆布雷顿循环，其核心思想是利用一个旋转换热器(图1)，使得工质在离心流动中压缩，而在向心流动中减压膨胀和产生制冷效应。总体上可以看作是压能–离心力势能–压能转换过程，其中离心力势能起到桥梁作用。

将离心力势能介导的能量转换引入逆布雷顿制冷循环，立论的关键是流体在旋转通道中的增、减压过程相比传统流体机械是否有利于提高压缩/膨胀效率？这在本质上涉及旋转通道的流动问题，当前该类问题的公开报道常见于燃气轮机叶片气冷技术领域中对旋转U 型通道的研究。Xu 和Qiu 等[8] [9]发现无论在平滑通道还是矩形肋片通道， 旋转都会导致流动损失的增加。

在此基础上， Wu 和Li 等[10] [11]比较了不同结构对流动损失的影响，发现相较于平滑通道，肋片通道会引起更多的损失，但随着旋转数的增加，这种差异有所减小。Prabhu 和Chang 等[12] [13]通过进行圆管180˚急弯区的旋转流动试验，考察了转弯区的损失分布，发现旋转状态下，最高压降出现在第二段上游区域。