基于ANSYS CFX的電子膨脹閥冷媒相變分析研究

　　電子膨脹閥是目前變頻空調(diào)中重要的節(jié)流部件，通過(guò)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(chǎng)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。

　　本文源自智能制造 2020年4期《智能制造》(月刊)創(chuàng)刊于1994年，面向國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行.雜志以提高企業(yè)應(yīng)用水平，追蹤技術(shù)研發(fā)熱點(diǎn)，報(bào)道市場(chǎng)發(fā)展動(dòng)態(tài)為鮮明特點(diǎn)，生動(dòng)、及時(shí)地反映CAD/CAM/CAPP/ERP領(lǐng)域的新動(dòng)態(tài)。目前是CAD領(lǐng)域的專業(yè)雜志。內(nèi)容涉及制造業(yè)和IT行業(yè)兩大方面內(nèi)容，信息量豐富。

　　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(guò)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(chǎng)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(shí)，膨脹閥閥體本身的噪聲問(wèn)題也越來(lái)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(guò)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(duì)于提升電子膨脹閥舒適性有很大的意義 。

　　本文通過(guò)對(duì)空調(diào)電子膨脹閥進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)分析，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，判斷設(shè)計(jì)方案是否合理，在后續(xù)電子膨脹閥設(shè)計(jì)過(guò)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(dòng)物理數(shù)學(xué)模型

　　使用ANSYS CFX計(jì)算電子膨脹閥內(nèi)流體流動(dòng)時(shí)，有工質(zhì)流動(dòng)和溫度變化，需要求解質(zhì)量守恒方程、動(dòng)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(dòng)問(wèn)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(kāi)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(shí)，流道的狀態(tài)為關(guān)閉，無(wú)冷媒通過(guò);當(dāng)脈沖數(shù)為500時(shí)，電子膨脹閥狀態(tài)為全開(kāi)。正常運(yùn)行過(guò)程中，開(kāi)度一般在100～300脈沖范圍調(diào)節(jié)。針閥的開(kāi)度依靠回氣過(guò)熱度(通過(guò)回氣溫度和壓力檢測(cè)得到)來(lái)控制，過(guò)熱度與開(kāi)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(jì)算前，需要將計(jì)算域分割成多個(gè)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(gè)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(gè)模型網(wǎng)格數(shù)量為108萬(wàn)，流體計(jì)算域模型如圖2所示。

　　圖3顯示了電子膨脹閥計(jì)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(jì)算要求。

　　3、邊界設(shè)定

　　邊界條件定義了進(jìn)行計(jì)算的輸入?yún)?shù)，定義不同的邊界條件(輸入?yún)?shù))計(jì)算所得到的結(jié)果就會(huì)各不相同。電子膨脹閥的內(nèi)部流場(chǎng)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(jì)算。該研究考慮冷媒相變，進(jìn)行流場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及壓力場(chǎng)的分析。計(jì)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(lái)描述計(jì)算在相變過(guò)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。控制方程采用有限體積法進(jìn)行離散，使用耦合求解器(Coupled Solver)求解壓力-速度耦合流場(chǎng)。對(duì)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(wú)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(jì)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(shí)壓力極小值在壁面處出現(xiàn);當(dāng)冷媒流過(guò)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?chē)鷫毫_(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(guò)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(guò)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(guò)針閥后，逐漸產(chǎn)生氣態(tài)冷媒，順著針閥流向出口管的時(shí)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(gè)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(kāi)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(guò)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(dòng)趨勢(shì)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(dòng)分析，其中考慮了冷媒在經(jīng)過(guò)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(dòng)。

　　在電子膨脹閥開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以充分利用CFD仿真技術(shù)，預(yù)測(cè)流場(chǎng)對(duì)電子膨脹閥流道設(shè)計(jì)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(dòng)能，進(jìn)而降低冷媒噪聲，提升電子膨脹閥的舒適性。