基于ANSYS CFX的電子膨脹閥冷媒相變分析研究

張克鵬

一、引言

電子膨脹閥是目前變頻空調(diào)中重要的節(jié)流部件，通過與壓縮機(jī)的有效結(jié)合，可以提高空調(diào)系統(tǒng)的舒適性和節(jié)能性。在運(yùn)行工況多變的場合，毛細(xì)管和熱力膨脹閥等傳統(tǒng)的節(jié)流元件不能精確控制冷媒的流量，不能滿足節(jié)能方面的要求，而電子膨脹閥結(jié)合壓縮機(jī)變?nèi)萘考夹g(shù)能很好地控制冷媒在不同工況下的流量需求，滿足空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能需求，目前已得到廣泛應(yīng)用。

空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性能在利用電子膨脹閥之后得到提升的同時，膨脹閥閥體本身的噪聲問題也越來越受到重視，電子膨脹閥閥體內(nèi)噪聲引起的原因有多種，而冷媒在膨脹閥內(nèi)由于節(jié)流而產(chǎn)生相變，在相變過程中產(chǎn)生噪聲是其中的一種，因此研究電子膨脹閥內(nèi)冷媒相變對于提升電子膨脹閥舒適性有很大的意義 。

本文通過對空調(diào)電子膨脹閥進(jìn)行計算流體力學(xué)分析，并對計算結(jié)果進(jìn)行分析，判斷設(shè)計方案是否合理，在后續(xù)電子膨脹閥設(shè)計過程中，根據(jù)這種方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)和方案的改進(jìn)。

二、電子膨脹閥內(nèi)流動物理數(shù)學(xué)模型

使用ANSYS CFX計算電子膨脹閥內(nèi)流體流動時，有工質(zhì)流動和溫度變化，需要求解質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程及能量守恒方程，因?yàn)樵陔娮优蛎涢y閥口位置，伴隨有冷媒相變，因此需要求解相守恒方程。需要在膨脹閥下部出口位置求解質(zhì)量輸運(yùn)方程。

1、多相流模型中的守恒方程

2、多相流湍流模型

ANSYS CFX根據(jù)不同的流動問題，提供多種湍流模型。本文中數(shù)值模擬所采用的是Realizable k？ε 湍流模型。

三、數(shù)模建立及邊界設(shè)定

1、三維模型建立

采用SOLIDWORKS建立某空調(diào)電子膨脹閥三維模型，電子膨脹閥的中心剖面圖如圖1所示，電子膨脹閥由閥座、針閥、進(jìn)出口管及上下蓋等部件組成。電子膨脹閥的開度調(diào)節(jié)范圍一般為0～500脈沖，當(dāng)電子膨脹閥的脈沖數(shù)為0時，流道的狀態(tài)為關(guān)閉，無冷媒通過；當(dāng)脈沖數(shù)為500時，電子膨脹閥狀態(tài)為全開。正常運(yùn)行過程中，開度一般在100～300脈沖范圍調(diào)節(jié)。針閥的開度依靠回氣過熱度（通過回氣溫度和壓力檢測得到）來控制，過熱度與開度成正比。文中模型為100～300脈沖之間的某種狀態(tài)，在SOLIDWORKS中生成幾何模型后，將其導(dǎo)出為.STP格式文件，方便在CFD軟件中進(jìn)行流體仿真模型的建立。

2、網(wǎng)格模型建立

在利用ANSYS CFX進(jìn)行計算前，需要將計算域分割成多個網(wǎng)格單元。ICEM作為ANSYS CFD模塊專用的流體前處理模塊，與CFX有非常好的接口，因此整個電子膨脹閥的幾何處理和網(wǎng)格劃分是在主流CFD前處理軟件ICEM中進(jìn)行的，電子膨脹閥模型較為復(fù)雜，且局部特征較小，因此采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，整個模型網(wǎng)格數(shù)量為108萬，流體計算域模型如圖2所示。

圖3顯示了電子膨脹閥計算模型網(wǎng)格質(zhì)量檢查情況，其中橫坐標(biāo)為網(wǎng)格質(zhì)量，1代表最好，0代表最差，縱坐標(biāo)為網(wǎng)格數(shù)量。從圖中可以看出，模型網(wǎng)格質(zhì)量都在0.3以上，網(wǎng)格質(zhì)量較好，滿足計算要求。

3、邊界設(shè)定

邊界條件定義了進(jìn)行計算的輸入?yún)?shù)，定義不同的邊界條件（輸入?yún)?shù)）計算所得到的結(jié)果就會各不相同。電子膨脹閥的內(nèi)部流場由其進(jìn)出口的邊界條件決定，具體設(shè)置如下：

（1）總體設(shè)置：流體為冷媒R134a，R134a制冷劑氣態(tài)和液態(tài)物性根據(jù)實(shí)際氣體Peng-Robision狀態(tài)方程計算。該研究考慮冷媒相變，進(jìn)行流場、溫度場以及壓力場的分析。計算工具為商用CFD軟件ANSYS CFX，湍流模型采用Reliable k-ε，表面強(qiáng)度系數(shù)設(shè)置為7.5N·m-1，相變傳輸模型選擇均勻混合歐拉多相連模型Mixture Model，采用Cavitation（空化模型）來描述計算在相變過程中的氣液兩相之間的質(zhì)量轉(zhuǎn)換，空化蒸發(fā)系數(shù)設(shè)置為240，換熱系數(shù)為1e+10W·m2K-1?？刂品匠滩捎糜邢摅w積法進(jìn)行離散，使用耦合求解器（Coupled Solver）求解壓力-速度耦合流場。對流項(xiàng)離散格式設(shè)置為二階迎風(fēng)格式，各方程收斂標(biāo)準(zhǔn)均設(shè)置為10-5。

（2）傳熱模型采用假定汽液相之間傳熱系數(shù)無限大。假設(shè)氣相為連續(xù)相，氣泡平均直徑1mm，制冷劑飽和壓力1MPa。

（3）進(jìn)口邊界條件的湍流定義方法為湍流強(qiáng)度+水力直徑，壓力進(jìn)口設(shè)置為P=1.32MPa，湍流強(qiáng)度為5%，水力直徑為0.006 1m，進(jìn)口溫度為323K，液相組分為1，氣相組分為0。出口邊界條件除了出口壓力設(shè)置為P=0.32MPa，其他設(shè)置與進(jìn)口保持一致。

（4）管壁設(shè)置為絕熱邊界條件。

四、CFD計算結(jié)果分析

制冷工況下，冷媒從圖1進(jìn)口管進(jìn)入，從圖1出口管流出。圖4為制冷工況下，電子膨脹閥模型內(nèi)部截面壓力等值云圖。

從圖4中可以看出，冷媒在進(jìn)口管后的喉部很短距離內(nèi)，壓力發(fā)生劇變，同時壓力極小值在壁面處出現(xiàn)；當(dāng)冷媒流過針閥后，壓力逐步回升，從截面圖上可以看到，在閥針左右兩側(cè)分布兩處很小的壓力值，從該處往下，壓力逐漸下降，直到與周圍壓力達(dá)到平衡。

圖5是電子膨脹閥在制冷工況下的氣相體積份數(shù)和液相體積份數(shù)云圖。

從圖5中可以看出，冷媒在到達(dá)針閥之前，全部為液態(tài)，經(jīng)過針閥處，由于節(jié)流作用，液態(tài)冷媒逐漸氣化為氣態(tài)冷媒，在出口管靠近壁面的區(qū)域，氣態(tài)冷媒的比例較大，超過99%，出口管中間區(qū)域氣液比例相當(dāng)，氣態(tài)冷媒占55%，液態(tài)冷媒占45%，在出口管出口處，幾乎所有冷媒都以氣態(tài)形式存在。

圖6是電子膨脹閥在制冷工況下的氣相和液相速度分布云圖。

從圖6中可以看出，冷媒在經(jīng)過針閥后，逐漸產(chǎn)生氣態(tài)冷媒，順著針閥流向出口管的時候，流速迅速提高到40m/s，針閥位置的速度梯度比閥口壁面處大，主流區(qū)域靠近針閥壁面向下充分發(fā)展，在針閥下端，兩個方向相反的渦流相互作用形成回流。氣態(tài)冷媒從出口管入口開始，速度逐漸增大，在最后出口處最大速度可以達(dá)到120m/s。冷媒在經(jīng)過針閥節(jié)流作用后，氣態(tài)和液態(tài)混合，液態(tài)冷媒的流動趨勢與氣態(tài)冷媒類似，在出口管的出口處最大流速也達(dá)到120m/s。

五、結(jié)論

利用CFD技術(shù)進(jìn)行空調(diào)電子膨脹閥內(nèi)部的冷媒流動分析，其中考慮了冷媒在經(jīng)過針閥后的相變情況，得到膨脹閥內(nèi)冷媒的氣態(tài)和液態(tài)兩相流動。

在電子膨脹閥開發(fā)過程中，可以充分利用CFD仿真技術(shù)，預(yù)測流場對電子膨脹閥流道設(shè)計影響，盡量避免或減小冷媒在閥體內(nèi)產(chǎn)生漩渦，可有效降低湍動能，進(jìn)而降低冷媒噪聲，提升電子膨脹閥的舒適性。