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中重要的節流部件，通過與壓縮機的有效結合，可以提高空調系統的舒適性和節能性。在運行工況多變的場合，毛細管和熱力膨脹閥等傳統的節流元件不能精確控制冷媒的流量，不能滿足節能方面的要求，而電子膨脹閥結合壓縮機變容量技術能很好地控制冷媒在不同工況下的流量需求，滿足空調系統節能需求，目前已得到廣泛應用。

空調系統的節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，電子膨脹閥閥體內噪聲引起的原因有多種，而冷媒在膨脹閥內由于節流而產生相變，在相變過程中產生噪聲是其中的一種，因此研究電子膨脹閥內冷媒相變對于提升電子膨脹閥舒適性有很大的意義 。

本文通過對空調電子膨脹閥進行計算流體力學分析，并對計算結果進行分析，判斷設計方案是否合理，在后續電子膨脹閥設計過程中，根據這種方法進行結構和方案的改進。

二、電子膨脹閥內流動物理數學模型

使用ANSYS CFX計算電子膨脹閥內流體流動時，有工質流動和溫度變化，需要求解質量守恒方程、動量守恒方程及能量守恒方程，因為在電子膨脹閥閥口位置，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量輸運方程。

1、多相流模型中的守恒方程

2、多相流湍流模型

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

三、數模建立及邊界設定

1、三維模型建立

采用SOLIDWORKS建立某空調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、進出口管及上下蓋等部件組成。電子膨脹閥的開度調節范圍一般為0～500脈沖，當電子膨脹閥的脈沖數為0時，流道的狀態為關閉，無冷媒通過；當脈沖數為500時，電子膨脹閥狀態為全開。正常運行過程中，開度一般在100～300脈沖范圍調節。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，在SOLIDWORKS中生成幾何模型后，將其導出為.STP格式文件，方便在CFD軟件中進行流體仿真模型的建立。

2、網格模型建立

在利用ANSYS CFX進行計算前，需要將計算域分割成多個網格單元。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格劃分是在主流CFD前處理軟件ICEM中進行的，電子膨脹閥模型較為復雜，且局部特征較小，因此采用非結構四面體網格，整個模型網格數量為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格質量檢查情況，其中橫坐標為網格質量，1代表最好，0代表最差，縱坐標為網格數量。從圖中可以看出，模型網格質量都在0.3以上，網格質量較好，滿足計算要求。

3、邊界設定

邊界條件定義了進行計算的輸入參數，定義不同的邊界條件（輸入參數）計算所得到的結果就會各不相同。電子膨脹閥的內部流場由其進出口的邊界條件決定，具體設置如下：

（1）總體設置：流體為冷媒R134a，R134a制冷劑氣態和液態物性根據實際氣體Peng-Robision狀態方程計算。該研究考慮冷媒相變，進行流場、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，表面強度系數設置為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量轉換，空化蒸發系數設置為240，換熱系數為1e+10W·m2K-1。控制方程采用有限體積法進行離散，使用耦合求解器（Coupled Solver）求解壓力-速度耦合流場。對流項離散格式設置為二階迎風格式，各方程收斂標準均設置為10-5。

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

（3）進口邊界條件的湍流定義方法為湍流強度+水力直徑，壓力進口設置為P=1.32MPa，湍流強度為5%，水力直徑為0.006 1m，進口溫度為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置為P=0.32MPa，其他設置與進口保持一致。

（4）管壁設置為絕熱邊界條件。

四、CFD計算結果分析

制冷工況下，冷媒從圖1進口管進入，從圖1出口管流出。圖4為制冷工況下，電子膨脹閥模型內部截面壓力等值云圖。

從圖4中可以看出，冷媒在進口管后的喉部很短距離內，壓力發生劇變，同時壓力極小值在壁面處出現；當冷媒流過針閥后，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，直到與周圍壓力達到平衡。

圖5是電子膨脹閥在制冷工況下的氣相體積份數和液相體積份數云圖。

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

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，冷媒在經過針閥后，逐漸產生氣態冷媒，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，主流區域靠近針閥壁面向下充分發展，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到120m/s。冷媒在經過針閥節流作用后，氣態和液態混合，液態冷媒的流動趨勢與氣態冷媒類似，在出口管的出口處最大流速也達到120m/s。

五、結論

利用CFD技術進行空調電子膨脹閥內部的冷媒流動分析，其中考慮了冷媒在經過針閥后的相變情況，得到膨脹閥內冷媒的氣態和液態兩相流動。

在電子膨脹閥開發過程中，可以充分利用CFD仿真技術，預測流場對電子膨脹閥流道設計影響，盡量避免或減小冷媒在閥體內產生漩渦，可有效降低湍動能，進而降低冷媒噪聲，提升電子膨脹閥的舒適性。