冷芝士，冷门科普 | 公众号【冷芝士】 阅读原文 当然是涡流管。 涡流管又称冷却枪、冷风枪，又称兰克·赫尔胥(Ranque-Hilsch)管——进气口接入压缩气体，两个出气口就能自动分离冷、热空气。结构简单，价格便宜，工业上大量应用于各种降温场景，某宝只卖 100 多。但就这么一根小管子，困惑了科学家近 90 年，至今也没有一个公认的理论解释。 涡流管的基本结构如下图所示： 压缩气体在喷嘴内膨胀，以高速度沿切线方向进入涡流管。气流在涡流管内高速旋转时，分离成两部分气流，中心温度低，外层温度高。图中所示结构是冷热口相反的设计，冷空气从左边出，热空气从右边出。也有冷热同向的设计，但分离效率相比而言会低很多。 涡流管看似非常简单，但原理却云山雾罩。一般认为，热的传导过程不可逆，但涡流管愣是将冷热空气简单粗暴地分离了开来——至今没有人精确地知道管子内部究竟发生了什么情况，也没有一个精确预测涡流管性能的数学模型，而对涡流管效应的基本原理解释更是如坠雾里云中。Van Deemter 曾试图将广义柏努利方程用于涡流管计算，结果表明冷效应并不能由涡流管外缘的热效应引起。涡流管的研究一直都是一个重大难题。 1930 年，法国科学家兰克（Georges J. Ranque）最早发现，旋风分离器具有冷却效应，即分离器中气流的中心温度和周边各层的温度不同——中心温度低，而外缘温度高。1931 年，兰克发表了首篇涡流管论文并申请专利。1933 年，兰克在法国物理学会上作了《涡流管装置及其涡旋温度分离效应》的报告。但大会对这一报告嗤之以鼻，没有人相信涡流管制冷的现象，认为明显违背了热力学定理，这一研究被搁置起来。 十几年后，德国物理学家赫尔胥（Rudolf Hilsch）在狄拉克（对，就是狄拉克方程的那个狄拉克）的研究基础上，用更加详细的资料证实了「涡旋温度分离效应」，涡流管终于获得学界重视，开始为人所知。因此，这一效应也称兰克效应或赫尔胥效应。 以下对于「涡旋温度分离效应」的理论解释各有亮点，但也各有缺陷，甚至互相矛盾，仅供大家参考批判： 1.动能传递理论： 认为管内气体从中心到外缘有动能的流动交换。气流形成拟自由涡，发生动能的径向交换，导致沿着半径方向出现温度梯度。根据这个假设，Fulton 推导出如下关系： 这种理论的缺陷在于，内层气体所形成的涡旋恰恰是由于外层气体通过摩擦力引起的。这样，能量的传递将与上述理论相反，即动能将由外层向内层传递。其次，外层流体流速较高，流量通常也大于内层气流流量，因此，这一解释有不少疑点。 2.热传递理论 认为内层回流气体的初始热力学温度高于外层气流，由此导致能量由内层传入外层。然而，许多研究数据表明，外壁面的静温比内层的静温高，热量从冷气流以热传递方式传递到热气流似乎不大可能。 3.绝热冷却理论 认为由于离心力作用，会产生一个径向压力梯度，导致发生能量分离。即在气体的漩流方向，压力逐渐降低，可看作是一个绝热冷却（adiabatic cooling）过程。这一理论看起来很美好，但理想值与实验结果偏差较大。 4.紊流能量交换理论 认为离心场中的紊流引起能量脉动（注：不是那个饮料！），使能量从低压流体传导到外层高压气流中。这一解释也不能自圆其说。 5.声流理论 认为涡流管内的有序扰动引起声流，声流把 Rankine 涡变成强制涡，导致能量分离……这一理论也应者寥寥。 「涡旋温度分离效应」虽然还没有一个让大家都十分信服的理论解释。但这并不妨碍工程师对其进行设计和改进，经过几十年的摸索，涡流管出现了很多经验性的设计规律。 比如：管壁粗糙度几乎没有影响；涡流线形状以阿基米德螺线最佳；喷嘴出口以渐开线形最佳；喷嘴的相对面积以 9% 为最佳；长径比为 3 最佳；扩张角为 3°41′最佳……实验物理不断换参数和材料，就可以获得一手数据；而理论物理学家则必须要算到秃头…… 此外，在实验中还发现了一个有趣的重要现象。如果采用不同的气体，如氨、甲烷和二氧化碳，当湍流 Pr<0.5（Pr 是普朗特数）时，涡流管会出现反转效应——冷气流在外缘流出，而热气流从轴线附近流出[1]——同样，没有人知道为什么…… 继续秃头。 ---------- 困惑的分割线 ---------- 故事远没有结束，涡流管的后续研究引出了更加匪夷所思的现象。 众所周知，涡流管中的气体是可被压缩的，大家也认为温度分离现象与流体的可压缩性相关。但 1988 年，Balmer 博士[2]突发奇想，用不可压缩的液体——水进行了实验。他发现流体的压缩性并不是导致温度分离的原因，水在高压下通过涡流管也能产生温度分离！这一现象更加离奇。 实验显示，在 20 到 50Mpa 的入口压力下，水的温度分离可以达到 10℃到 20℃。而且，与气体不同，水通过涡流管并不会降温，而是相反——升温。也就是说，即便是冷流端的出口，水温也要高于涡流管进口的温度！ 这一现象令研究者大跌眼镜。因为这意味着系统的整体温度增加了，也就是说能量似乎变多了。气体的降温本来就很难解释，这下又来了个更难以解释的问题——能量守恒定律似乎不允许整体升温。实验测量做了一遍又一遍，结果依旧。问题究竟出在了哪里？ 针对涡流管的这一异常加热现象，现有理论解释主要有以下几种： 1.粘性耗散理论 认为空气温度分离现象是由于摩擦力的作用。涡流管中，外围流体的速率大于涡核的速率。随着流速的降低，动能转化为热能，造成涡流管内的热分离。这一机制用到不可压流体时，由于水的粘性大约是空气的 50 倍，将会导致更多的动能转化成热能。所以，与空气不同，水经过涡流管后冷端和热端的温度都高于进口温度。但这个理论不能解释很多涡流加热器接近 100% 的加热效率。 2.气穴空化效应理论 这种解释认为，当水通过涡流管的时候会发生气穴空化。通常，空化气泡含有能量，当气泡破碎的时候，就会对周围的流体有加热的作用。然而，气穴空化气泡本身也没有得到很好的解释（比如，空化气泡溃灭时会导致发光放电现象）。数据显示，在空化气泡溃灭瞬间，其周围极小范围内会产生 1900-5200K 的高温，超过 5.065×10^7Pa 的高压，温度瞬间变化率可以高达 109K/s，产生 400km/h 的微射流[3]。这些小气泡的能量甚至会摧毁坚固的螺旋桨！ 快速旋转的螺旋桨产生了气穴空泡 被气穴空化效应摧毁的螺旋桨 3.真空零点能理论 这一理论认为涡流提取了真空中的零点能，高速的涡流会影响空间中的某些神秘粒子……由于这一解释过于石破天惊，本文不做过多介绍。只是提醒大家注意前文提到的狄拉克——他提出的 Dirac 方程对应自由粒子有正能量和负能量两种状态。在这一理论中，真空不再是一片虚无，而是充满了无限稠密的负能量粒子的海洋，也就是「狄拉克海」。从狄拉克海中提取「真空能」，也成了很多科幻小说的主题。 不能再写了。一个 100 多块钱的淘宝货，眼看就成了人类获取无限能源，飞向星辰大海的突破口…… 我只想说，物理学远没有终结，宇宙还有太多的秘密等待着我们去探索。 阅读原文
