涡流管以其简单的结构,广泛的适用条件以及高效的能量分离性能,一直受到国内外相关领域专家学者重点关注。虽然涡流管已大量的投入到生活生产中,但由于其内部复杂的流动变化,众说纷纭的能量分离机理,使得人们仍未能完全掌握其工作原理。传统的涡流管研究多关注其制冷效应,而涡流管能同时产生冷、热双流体。因此,涡流管在制热领域具有广阔的应用空间以及巨大的理论研究价值。本文以逆流型涡流管为研究对象,通过实验与数值模拟两种方法对涡流管的工作性能与能量分离机理开展研究,并将涡流管的制热效应拓展至天然气生产领域。本文主要研究内容如下:本文开展了三种型号（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型）、四种结构的涡流管性能试验。研究喷嘴流道数目、涡流管尺寸、冷端出口管径、入口压力、冷流率对能量分离效果的影响。实验结果表明,几何大小不同、形状不同的涡流管在改变压力与冷流率条件下,其能量分离的趋势是基本一致的,在冷流率为20%-100%的范围内,随着冷流率的上升,制冷效应先上升后下降,而制热效应则一直随着冷流率的上升而提高。当冷端出口管径为8mm时,在入口压力达到0.3MPa之后,涡流管的制冷制热效应不再随着压力的增大而增大;当冷端出口管径为12mm时,在入口压力为0.1MPa-0.5MPa范围内,涡流管的制冷制热效应随着压力的上升而提高。在不同结构的对比上,Ⅱ型涡流管的制冷制热性能均优于Ⅰ型涡流管;Ⅲ-2型涡流管的制冷性能优于Ⅲ-1型涡流管,而制热性能弱于Ⅲ-1型涡流管。采用ICEM建立结构化网格,应用标准k-ε湍流模型,建立四流道与六流道喷嘴涡流管数值模型,分析管内压力场、速度场以及温度场规律。在径向压力分布上,静压在径向上由轴线向管壁处不断增大,在壁面处达到最大值;压力在径向则现为先增大后减小的趋势,在无量纲管径0.9附近达到最大值。在压力沿轴向分布上,由涡流管入口到热端出口的方向上,静压与总压均表现为离涡流管入口距离越远,压力值越大的趋势。在切向流速分布上,在入口处,涡流管的切向流速最大,沿着流动方向,从气体处到热端出口的方向,涡流管的切向流速不断减小,从入口处到冷端出口的切向流速也不断减小。径向流速上,在热端管内,距离涡流管入口越远,径向流速的值越小。在同一轴线位置,随着径向位置的增大,涡流管内径向流速从轴线处由零减小为负值,再增大到一个正值的最大值,最终在管壁处减小为零。在轴向流速上,涡流管内管中心的是内旋流,其轴向速度为正值,从冷端出口流出;位于管外周的是外旋流,其轴向速度为负值,内外旋流之间为轴向零速度面。在二次流作用下,涡流管内出现显著的能量分离。采用SRK真实气体模型,采用甲烷作为工质气体。对高压条件下,涡流管的能量分离效应进行了模拟,在在高压条件下,涡流管的流场变化与低压条件下类似。但是由于焦耳—汤姆逊效应,使得热端出口气体的温度有可能低于入口气体温度。在相同出入口压力条件下,甲烷气体通过涡流管节流后的温度略高于通过节流阀后温度。在涡流管结构不变的条件下,随着涡流管大小的变化,涡流管入口的流量增大的系数为大小增大系数的平方值。以制热效率为依据,在入口压力2MPa、出口压力1MPa的条件下,涡流管的最佳冷流率范围为60%左右;入口压力5MPa、出口压力2MPa时,最佳冷流率范围为60%—80%;在入口压力为9MPa或13MPa,出口压力为2MPa时,最佳冷流率范围为75%—80%。