短管節(jié)流閥的空化流動(dòng)與噪聲的數(shù)值模擬分析

王均宇，張克鵬，宋永興，，張林華，李建軍

(1.山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250101；2.浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，浙江杭州 310013；3.浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司，浙江諸暨 311835)

0 前言

隨著生活水平的提高，人們對(duì)空調(diào)舒適性提出了更高的要求?？照{(diào)工作過程中產(chǎn)生的噪聲是室內(nèi)噪聲的主要來源，也是引起人體不舒適的源頭之一，其中節(jié)流元件在節(jié)流過程中產(chǎn)生的噪聲更是成為室內(nèi)噪聲研究的一部分。空調(diào)中主要應(yīng)用的節(jié)流元件以毛細(xì)管和熱力膨脹閥為主[1]，但隨著人們進(jìn)一步的研究，一些可靠性好、節(jié)能性強(qiáng)的節(jié)流元件如雨后春筍般涌現(xiàn)。目前市場上出現(xiàn)的新型節(jié)流元件，如電子膨脹閥、截止節(jié)流閥、短管節(jié)流閥等成為研究的重點(diǎn)對(duì)象。但對(duì)節(jié)流元件的研究大多以電子膨脹閥為主，對(duì)于短管節(jié)流元件的研究較少[2]。本文作者對(duì)短管節(jié)流閥進(jìn)行研究，為短管節(jié)流閥在空調(diào)中的應(yīng)用提供一些參考。短管節(jié)流閥是以孔板節(jié)流為原理進(jìn)行節(jié)流降壓的，以其成本低、便于安裝、節(jié)流性能好等優(yōu)點(diǎn)廣泛替代毛細(xì)管在空調(diào)上的應(yīng)用[3]。但作為節(jié)流元件，必然存在節(jié)流降壓的作用[4-6]。在空調(diào)制冷過程中，制冷劑以高溫高壓的液相進(jìn)入到短管節(jié)流閥，以低溫低壓的兩相狀態(tài)流出[7]。當(dāng)壓力降低到制冷劑的飽和蒸汽壓力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生制冷劑空化的現(xiàn)象，從而形成空泡，空泡的產(chǎn)生和潰滅就會(huì)產(chǎn)生噪聲，這是閥門產(chǎn)生噪聲的一個(gè)原因[8]。流體劇烈撞擊或在剪切力作用下而產(chǎn)生流體之間相互碰撞或流體與壁面之間相互碰撞是閥門產(chǎn)生噪聲的另一個(gè)原因[9-11]，這也使得閥門噪聲的研究成為一個(gè)熱點(diǎn)問題。張迪嘉[12]通過對(duì)錐形節(jié)流閥進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)入口流速即來流流量是影響氣穴和噪聲強(qiáng)弱的主要因素，隨著入口流速的增高，流量增大，噪聲也隨流速的增高而增大。HABIBNEJAD等[13]通過對(duì)4種不同結(jié)構(gòu)的截止閥進(jìn)行數(shù)值分析研究了入口速度對(duì)空化的影響，結(jié)果表明隨著閥門入口速度的增大，空化也越來越嚴(yán)重。KIM等[14]通過實(shí)驗(yàn)研究的方法對(duì)R410A制冷劑的兩相流進(jìn)行噪聲測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)行高質(zhì)量流動(dòng)時(shí)，流致噪聲增大。JEONG等[15]通過實(shí)驗(yàn)研究制冷劑在空調(diào)循環(huán)過程流量對(duì)其噪聲的影響，發(fā)現(xiàn)噪聲隨制冷劑流量增大而增大。ZHANG等[16]通過實(shí)驗(yàn)研究和仿真模擬相結(jié)合的方法發(fā)現(xiàn)，聲壓級(jí)隨系統(tǒng)質(zhì)量流量的增大而增大。

現(xiàn)有研究對(duì)大多數(shù)的節(jié)流閥進(jìn)行了研究，但針對(duì)短管節(jié)流閥在制冷過程中的空化流動(dòng)和噪聲的研究甚少。本文作者針對(duì)短管節(jié)流閥的空化流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值分析，以R134A制冷劑為冷媒介質(zhì)，對(duì)不同入口流量下的空化及噪聲問題進(jìn)行研究，分析流量對(duì)空化強(qiáng)度和噪聲的影響，為該類短管節(jié)流閥的優(yōu)化提供方向。

1 短管節(jié)流閥模型

1.1 物理模型

以某廠家單向(活動(dòng)式)短管節(jié)流閥為研究對(duì)象，其模型如圖1所示。

圖1 單向(活動(dòng)式)短管節(jié)流閥模型

當(dāng)處于制冷模式時(shí)，元件1為第一過濾裝置，元件4為第二過濾裝置；當(dāng)處于制熱模式時(shí)，元件4為第一過濾裝置，元件1為第二過濾裝置。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)處于制冷模式時(shí)，制冷劑由A流向B，閥芯2在冷媒流動(dòng)時(shí)受到?jīng)_擊力從而關(guān)閉閥座3的旁通孔，冷媒只能從閥芯孔通過，此時(shí)閥門起到節(jié)流作用；當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)處于制熱模式時(shí)，制冷劑由B流向A，閥芯2在冷媒的作用下打開從而從旁通孔和閥芯孔流過，此時(shí)閥門只有導(dǎo)流作用無節(jié)流作用。通過所給短管節(jié)流閥模型得到計(jì)算流體域(如圖2所示)來計(jì)算制冷工況下內(nèi)部流場分布。

圖2 計(jì)算流體域

1.2 數(shù)學(xué)模型

由于制冷劑在流經(jīng)節(jié)流閥時(shí)，或多或少都不可避免地產(chǎn)生空泡，從而形成氣液兩相流，在閥門出口以湍流流出，以兩相流流入蒸發(fā)器，因此選擇Realizableκ-ε湍流模型、Zwart-Gerber-Belamri空化模型和VOF多相流模型進(jìn)行計(jì)算。為了計(jì)算制冷劑在流動(dòng)過程中產(chǎn)生的噪聲，使用Broadband Noise Sources噪聲模型。設(shè)置邊界條件為進(jìn)口壓力1.5 MPa，出口壓力0.5 MPa，分別在制冷劑入口流量為0.14、0.16、0.18、0.20、0.22、0.24 kg/s時(shí)進(jìn)行計(jì)算，且主相為液相，次相為氣相。為此建立相應(yīng)的計(jì)算方程如下：

質(zhì)量守恒方程：

能量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

式中：u、v、w是流體速度在x、y、z三個(gè)方向的分量，m/s；ρ是流體密度，kg/m3；cp為定壓比熱容，J/(kg·K)；T為溫度，K；k為流體的傳熱系數(shù)，W/(m·K)；v是來流的速度矢量，m/s；ST為流體的內(nèi)熱源及由黏性作用流體機(jī)械能的部分；Fbx、Fby、Fbz是單位流體上的質(zhì)量力在x、y、z方向上的分量，N；pxx、pyx等是流體內(nèi)應(yīng)力張量的分量，N。

聲功率計(jì)算公式：

式中：U為湍流速度，m/s；l為湍流特征長度，m；a0為聲速，m/s；α為模型常數(shù)。

2 網(wǎng)格獨(dú)立性分析

網(wǎng)格密度和數(shù)量是決定計(jì)算結(jié)果正確與否的關(guān)鍵因素。一般來說，網(wǎng)格數(shù)量越多，計(jì)算精度越高，但過多的網(wǎng)格數(shù)量又會(huì)增加計(jì)算量，增加計(jì)算時(shí)間，因此，合適的網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果起著至關(guān)重要的作用。由于閥門閥芯小孔和閥座旁通孔的體積較小，因此在閥芯附近以及旁通孔附近等截面積較小的位置進(jìn)行網(wǎng)格加密。但要注意的是，網(wǎng)格的疏密變化不能過大，如果變化過大，在交接的網(wǎng)格之間容易造成誤差。為了驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性，分別采用不同網(wǎng)格尺寸對(duì)短管節(jié)流閥進(jìn)行網(wǎng)格劃分，且都在閥芯孔和旁通孔處進(jìn)行加密，得到5種不同數(shù)量的網(wǎng)格模型。

隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，計(jì)算結(jié)果通常會(huì)無限接近于一個(gè)唯一解，但相應(yīng)的計(jì)算量也會(huì)增大，同時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)的要求也會(huì)變高。為了節(jié)約計(jì)算機(jī)資源、增加計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在計(jì)算之前首先進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，如表1所示。設(shè)置入口流量為0.3 kg/s，在計(jì)算結(jié)果收斂之后，得到出口流量，通過進(jìn)、出口流量之間的對(duì)比，得到流量誤差。顯然從表1可以看出：隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，出口流量越來越接近入口流量，相應(yīng)誤差逐漸減小，但當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到一定數(shù)量時(shí)，誤差減小得越來越慢，而計(jì)算速度卻越來越慢。為了減小計(jì)算量也為了確保計(jì)算精度，選擇方案4的劃分網(wǎng)格方式進(jìn)行計(jì)算。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)

3 仿真結(jié)果分析

為了對(duì)比分析不同流量下短管節(jié)流閥的空化特性分析，以質(zhì)量流量分別為0.14、0.16、0.18、0.20、0.22、0.24 kg/s作為入口流量為例，研究6種流量下的壓力場、速度場、氣相體積和噪聲的分布。

3.1 壓力場分析

圖3為短管節(jié)流閥在制冷狀態(tài)時(shí)6種流量下的流場壓力分布云圖，各流量下的上、下游壓力分別接近于所設(shè)的進(jìn)、出壓力，流場中的最小壓力為R134A制冷劑的飽和蒸汽壓力。從圖3可以看出：各個(gè)流量下的流場壓力分布趨勢相同，在入口為高壓狀態(tài)，當(dāng)流至節(jié)流閥的節(jié)流孔時(shí)，壓力開始逐漸降低。隨著流量的增加，節(jié)流孔處的壓力降逐漸增大，即流量越大，流速越快，產(chǎn)生的壓力降也越來越大。以流量G=0.14 kg/s下的壓力分布云圖為例，在節(jié)流孔入口處壓力開始逐漸降低，在節(jié)流孔出口至閥門下游壓力逐漸增大。這是因?yàn)榱黧w在流動(dòng)過程中，遇到突縮的孔徑時(shí)，管徑的減小會(huì)對(duì)流體產(chǎn)生一定的阻礙作用，部分壓力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，使得流體流經(jīng)節(jié)流孔時(shí)以高速流出，這就使得節(jié)流孔處壓力降低。當(dāng)流體流出節(jié)流孔時(shí)，下游管道突擴(kuò)，壓力逐漸增大。

圖3 不同流量下壓力分布云圖

3.2 速度場分析

圖4為不同入口流量下的速度場分布，閥門在入口處的流速偏低，在流經(jīng)節(jié)流位置時(shí)速度突增，且隨著流量的遞增，節(jié)流孔的最大流速也有增大的趨勢。隨著流量的增大，下游流速也隨之增大，且在下游由于剪切力的作用而使得紊流更加嚴(yán)重。在G=0.24 kg/s時(shí)，可以清楚看到，在節(jié)流孔處速度梯度要大于閥門下游的速度梯度，且呈對(duì)稱分布狀態(tài)。圖5是短管節(jié)流閥在XY面的剖面圖中沿X方向上流速的變化：隨著入口流量的增大，入口流速雖有增加，但變化不大，出口流速隨著入口流量的增加也有所增大，但在流量小于0.22 kg/s時(shí)，出口流速變化不大；當(dāng)入口流速增大至0.22 kg/s時(shí)，出口流速有明顯的增大，這是由于流量達(dá)到一定程度時(shí)，流速在節(jié)流孔的最大值達(dá)到一定數(shù)值，在節(jié)流出口管徑突增，動(dòng)力勢能很大，甚至大于下游管道的束縛作用，流體以噴射的形式流出，使得出口流速較大。

圖4 不同流量下速度分布云圖

圖5 沿X方向不同流量下的速度

3.3 空化及噪聲分析

圖6為空調(diào)在制冷狀態(tài)時(shí)不同入口流量下的氣相體積分布情況，顯然，隨著入口流量的增加，閥門出口的空化現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，由入口流量G=0.14 kg/s時(shí)的0增加至G=0.24 kg/s時(shí)的0.95。從圖6可以看出：空化的形成由節(jié)流孔的入口開始，在節(jié)流孔出口空化產(chǎn)生的空泡逐漸堆積，并始終貼近壁面區(qū)域逐漸向內(nèi)擴(kuò)散，且空化的部位集中于低壓區(qū)和高流速區(qū)域。當(dāng)流量大于0.22 kg/s時(shí)，空化已經(jīng)非常嚴(yán)重，因?yàn)榱髁吭酱?，流速越大，由于?jié)流產(chǎn)生的降壓作用越明顯，下游壓力越小，更容易達(dá)到制冷劑的飽和蒸汽壓力，因而也更容易產(chǎn)生空化。在G=0.22 kg/s和G=0.24 kg/s時(shí)，空化較為嚴(yán)重，在出口處仍有很大部分的氣體存在，但由于出口壓力大于制冷劑的飽和蒸汽壓力，使得部分空泡潰滅，因此在距離出口很近的地方會(huì)有氣體體積略微減小的現(xiàn)象。

圖6 不同流量下氣相體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖7是不同流量下空調(diào)在制冷狀態(tài)下的噪聲分布云圖，圖中所標(biāo)位置是最大噪聲出現(xiàn)的區(qū)域?？梢钥闯觯翰煌髁肯碌脑肼暦植加幸韵?個(gè)特點(diǎn)：

圖7 不同流量下噪聲分布云圖

(1)在入口處噪聲幾乎為0，當(dāng)介質(zhì)遇到截面變化的位置時(shí)，即便沒有空化產(chǎn)生，也會(huì)有噪聲。這是由于截面變化，使得流體流動(dòng)方向發(fā)生改變，從而與壁面之間有一個(gè)碰撞和沖擊的力，形成噪聲并向周圍輻射。

(2)在節(jié)流孔處空化現(xiàn)象較為薄弱，但噪聲卻不可忽略。當(dāng)流經(jīng)節(jié)流孔時(shí)，由于流通面積減小，從而使得流速增大，而這部分動(dòng)能并不是憑空而來的，是由部分壓力勢能轉(zhuǎn)化而來的。一部分壓力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，另一部分轉(zhuǎn)變?yōu)槁暷懿⒁暂椛涞男问奖憩F(xiàn)出來，從而形成噪聲，這也是流致噪聲產(chǎn)生的原因[17]。

(3)在流量小于0.22 kg/s時(shí)，噪聲集中分布在中心位置并向下游壁面位置有遞減的趨勢；當(dāng)流量大于等于0.22 kg/s時(shí)，噪聲集中分布在下游貼近壁面的位置并向中軸線位置遞減。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要包括以下兩個(gè)方面：其一，渦流和回流的產(chǎn)生是導(dǎo)致噪聲存在的一個(gè)重要因素[18]。在進(jìn)出口壓力相同的情況下，入口流量越大，流速越高，在下游位置流速呈中間大兩邊小的分布狀態(tài)，由此產(chǎn)生的壓力差使得流體在剪切的作用下，不僅與壁面相互碰撞產(chǎn)生一部分機(jī)械噪聲，還會(huì)在壓力梯度的作用下形成局部的渦流和回流，從而形成氣流動(dòng)力噪聲。其二，空泡的潰滅是空化噪聲的主要來源。當(dāng)流量較小時(shí)，流速也較小，出口處的壓力不會(huì)降得太低，有部分空化而成的空泡會(huì)在節(jié)流孔出口處潰滅，由于空泡潰滅形成的噪聲要大于氣流動(dòng)力和機(jī)械噪聲，因而表現(xiàn)為較大噪聲集中分布在中間區(qū)域。當(dāng)流量較大時(shí)，下游壓力降也大，空化而成的空泡不會(huì)輕易潰滅，而剪切力的作用明顯大于壓力降的作用，噪聲表現(xiàn)為中間小、兩側(cè)大的特點(diǎn)。

圖8是不同入口流量下最大噪聲值及其產(chǎn)生位置的分布圖，A、B、C、D、E、F分別代表6種流量入口下的最大噪聲以及對(duì)應(yīng)最大噪聲產(chǎn)生的位置。從圖8可以看出：隨著流量增大，最大噪聲產(chǎn)生的位置逐漸向下游移動(dòng)，最大噪聲隨著流量的增大呈先增大后減小再增大的趨勢。隨著入口流量逐漸增大，流速也隨之增大，在節(jié)流孔出口處的壓力隨著入口流量的增大而逐漸減小，使得空泡不易潰滅。入口流量越大，節(jié)流孔出口相同位置的壓力越小，大于飽和蒸汽壓力的起始位置逐漸向下游移動(dòng)，即圖中6點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置即為大于飽和蒸汽壓力的起始位置。在該位置上，氣泡開始潰滅產(chǎn)生噪聲，也就成為了最大噪聲出現(xiàn)的位置。這也從一定程度上說明了，雖然紊流和回流的產(chǎn)生對(duì)噪聲有很大的影響，但空泡的潰滅才是決定最大噪聲的主要因素。

圖8 不同流量下最大噪聲產(chǎn)生位置

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬的方法研究了R134A制冷劑在短管節(jié)流閥中的空化流動(dòng)及噪聲現(xiàn)象，研究了在空調(diào)制冷過程中不同入口流量下的壓力場、速度場、氣液相分布，并進(jìn)一步對(duì)閥門噪聲進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

(1)空化程度與入口流量有關(guān)，入口流量越大，空化越嚴(yán)重。隨著流量從0.14 kg/s增大到0.22 kg/s，出口處的氣相體積從0增加到0.95。

(2)隨著閥門入口流量的增加，流場內(nèi)部最大噪聲呈先增大后減小再增大的趨勢，先從101.5 dB增大到105.5 dB，后減小到105.2 dB，最后增大到129.4 dB。

(3)最大噪聲產(chǎn)生的位置與入口流量有關(guān)，隨著入口流量的增加，最大噪聲產(chǎn)生的位置逐漸向下游方向移動(dòng)。

(4)影響噪聲的因素主要是渦流和回流、空泡潰滅，但空泡潰滅的影響遠(yuǎn)大于渦流和回流的影響。雖然渦流和回流即剪切力對(duì)噪聲的產(chǎn)生有一定的作用，但空泡的潰滅才是影響最大噪聲的主導(dǎo)因素。