涡流管是一个简单的热力装置,它能够把压缩气体分离成冷热两股气流。由于它内部没有任何运动部件,不需要任何维修费用,体积小重量轻等优点,被广泛应用于制冷、制热、气体分离、空气除湿、天然气液化等领域。由于涡流管内流动结构复杂,关于它产生能量分离的原因至今没有得到一致的结论。涡流管内清晰的速度分布以及流动结构对于解释这一现象是必不可少的。许多研究者进行了可视化实验,在早期的研究中,他们通过往涡流管内注入染料,碳粉等方法来观察涡流管内的流动情况,但结果并不理想;有的采用可旋转的毕托管伸入涡流管内进行速度的测量,但是这种侵入式的测量会对涡流管的流场造成干扰,而且工况比较单一。对比上述涡流管的可视化研究,二维激光多普勒测速技术(LDV)有着较高的测量精度,并且这种激光非侵入式测量能够避免对流场的干扰。因此本文采用LDV测速系统对涡流管的速度场进行实验。首先选用透明的直径为30mm的涡流管搭建了可视化实验台,设置了LDV的测量参数以及计算了实验误差。固定入口压力为0.1bar,得到了长度分别为为360mm,600mm,900mm和1200mm的涡流管在4个不同冷流比(0.2,0.4,0.6,0.8)下的切向速度、轴向速度以及径向速度分布。实验研究表明:涡流管内的切向速度呈现Rankine涡的分布,轴向速度分布具有对称性;径向速度值接近于零,整体分布没有规律。并根据轴向速度分布绘制出了涡流管内的折返流面以及滞止点。随着冷流比的增大,折返流面变宽。进一步通过实验得到了4根不同长度涡流管的能量分离性能曲线,过长或者过短的管子会恶化能量分离性能。滞止点的出现使涡流管的能量分离性能下降。因此滞止点并不是涡流管基本流动结构必须具有的特征。最后在对涡流管速度分布研究的基础上,根据涡流管的能量分离性能,提出了两个应用于LNG汽化站的新型加热系统,分析计算得到这两个系统的节能比能达到59.47%和90%以上,与传统的LNG汽化加热系统相比具有很好的节能性和环保性。