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涡流管结构简单，无运动部件，能将高压气体分离成冷热两股气流。其独特的优点是重量轻、体积小、可靠性高。因此虽然其制冷效率偏低，但在需要同时制冷制热及一些特殊用途场合得到了广泛应用。目前对涡流管能量分离机理的认识尚不完全统一，通过对涡流管内部流动的数值模拟和实验研究，以优化其结构、提高涡流管性能具有重要意义。 本文首先根据给定工作条件确定了涡流管主要部件，如喷嘴、涡室、热端管及冷端孔板等的尺寸，设计了涡流管实验样机，并改进喷嘴环端面密封形式以消除端面间隙的影响。其次，用CFX软件对涡流管内部流动进行了模拟，分析了几何参数对涡流管能量分离和流动的影响。第三，对涡流管性能进行了实验研究。实验比较了两种喷嘴通道对涡流管性能的影响，在不同进口压力条件下实验测量了三种冷端孔径的涡流管性能，并根据实验结果对涡流管结构参数进行了优化。数值模拟及实验得出如下结论: (1)数值模拟结果表明，涡流管内的强旋流动形成冷热流体分离现象，冷端出口孔径对涡流管性能据有较大影响，其趋势与实验结果是一致的，而紊流模型对数值模拟结果影响不明显。 (2)实验结果表明，冷流比是影响涡流管冷端温降和制冷量的重要工作参数。在所有实验工况下均存在一个最佳冷流比，涡流管在该冷流比条件工作时冷端温降最大;涡流管制冷量也存在相似的趋势，但二者达到最大值时对应的冷流比值不同。 (3)对三种冷端孔径的涡流管性能实验结果的比较表明，在其他几何参数不变的条件下，冷端孔径为5mm的涡流管在不同压力条件下工作时性能均最佳，在进口压力为0.5MPa工况下，其冷端最大温降分别比冷端孔径为4mm和6mm的涡流管大4℃和1.8℃，制冷量分别大26.9％和18.4％。 (4)对使用切线型喷嘴和收缩型喷嘴的两种涡流管性能实验表明，改进后的收缩流道喷嘴涡流管性能较佳，其冷端温降最大提高了约26.6％。 (5)实验结果表明，在0.3MPa～0.5MPa范围内，涡流管冷端温降和制冷量均随着进口压力的升高而增大，制冷性能系数COP则随着进口压力的升高而降低，而等熵温度效率则几乎不随进口压力改变而变化，仅是冷流比的函数。 (6)对不同进口压力下涡流管性能实验结果的分析表明，涡流管相对温降，即不同冷流比下的冷端温降与最大温降之比与进口压力无关。不同进口压力条件下的相对温降—冷流比曲线几乎重合，这验证了资料的相似结论。