某空調用截止閥流通性能分析與試驗研究

陳狄永,劉 俊，周 峰,陳永杰,熊勻均，張克鵬

(1.浙江盾安人工環境股份有限公司，浙江 杭州 310052；2.浙江大學 能源工程學院，浙江 杭州 310027)

0 引言

空調系統中的截止閥通常被用來控制系統中制冷劑的流向、流量、壓力等性能參數，是空調系統中必不可少的組成部分。

在截止閥設計過程中，流量系數Kv值是衡量該截止閥流通性能的重要參數，流量系數越大，則表示同規格產品的流通性能越好，制冷劑在經過截止閥時能耗越小。GB/T 30832—2014《閥門 流量系數和流阻系數試驗方法》對流量系數Kv定義為：5 ℃～40 ℃溫度范圍的水流經閥門，兩端壓差為100 kPa時，以m3/h計的流量數值[1]。JB/T 10648—2017《空調用銅制制冷劑截止閥》標準中對空調用截止閥的流通能力也有定義，且對不同公稱通徑的截止閥流通能力做了要求[2]。

近年來隨著仿真技術在空調制冷配件領域的應用，給產品設計和性能優化帶來很多便利。尤其是計算流體力學和傳熱學理論的日益發展，以及計算機運算能力和圖形處理能力的提升，仿真可以在截止閥概念設計階段、詳細設計階段、樣機試驗階段和產品測試評估階段全程發揮作用[3]。利用仿真技術可以進行截止閥的流場分析，優化設計結構，減小樣品制作和試驗次數，從而縮短開發周期[4-6]。

1 物理分析模型

1.1 幾何模型建立

本文研究對象為某空調用截止閥的流通性能，由于空調用截止閥結構緊湊，閥芯處的結構尺寸更是達到微觀尺度，因此模型的準確性非常必要。根據工程圖紙及設計規范，利用功能強大的行業三維設計軟件SolidWorks進行幾何三維數據建模，如圖1所示。研究內容為該空調用截止閥內部的介質流動，暫不考慮部件與環境之間的換熱，因此在幾何簡化的過程中，需要清除包括螺栓孔、閥體等固體區域，通過布爾運算提取和工質流動接觸部分的表面即可。

1.2 網格模型建立

利用仿真模型前處理軟件HyperMesh進行幾何清理和計算域的提取，網格尺寸的設定主要考慮模型最小特征尺寸，在最小特征幾何處一般至少需要3層網格，因此要對閥芯位置等幾何特征較小的地方進行加密，避免幾何失真，保證精度，提高計算的準確性。HyperMesh中最終的模型表面網格總數約35 344，計算域如圖2所示，表面網格模型閥芯處局部放大圖如圖3所示。

將表面網格模型導入HyperWorks CFD模塊下進行模型體網格的設定和劃分，網格總數為617 860，網格節點數為143 423 。對體網格模型進行切面處理，查看內部網格模型，局部區域界面圖如圖4所示。

1.3 邊界條件設置

為了與試驗結果進行對比，使得邊界條件的設置與實際測試工況一致，測試工況參照國標GB/T 30832—2014《閥門 流量系數和流阻系數試驗方法》，流動方向為制冷工況下工質流動方向，具體邊界設置如下：流動工質為水，水溫保持在15 ℃，入流均勻，工作狀態下，流體域進口指定壓力邊界條件，由于進出口管徑相同，指定進出口邊界壓力統一為靜壓，設定壓力值為100 kPa；流體域出口指定壓力邊界條件，靜壓為0 Pa。同時需要對邊界條件做一些簡化設定：

(1) 不考慮換熱對流動的影響，包括輻射換熱、對流換熱等。

(2) 流動過程中壓力和速度較低，認為工質水為不可壓縮流體。

(3) 進出口壓力恒定。

圖1 截止閥三維CAD模型 圖2 某空調用截止閥流動計算域 圖3 表面網格模型閥芯處局部放大圖

HyperWorks CFD的湍流模型較為豐富，主要有以下幾種：①Spalart-Allmaras模型;②SST模型;③Realizable K-Epsilon模型;④Standard K-Epsilon模型;⑤RNG K-Epsilon模型;⑥K-Omega模型。

圖4 體網格局部截面圖

本文中該截止閥屬于直角型截止閥，截止閥管道流向旋轉90°，在工質流動過程中存在流體轉彎，由此可能產生旋流。而RNG K-Epsilon模型在工程中應用較為廣泛，比較適合計算旋流和彎曲壁面的流動，因此分析過程中湍流模型采用RNG K-Epsilon模型，計算邊界的設置如圖5所示。

2 計算結果

圖6和圖7分別為截止閥模型X中心截面的壓力云圖和速度云圖。

從圖6可以看出：流動介質從截止閥接管入口進入截止閥后，在閥芯處由于流體受到正面阻力，流動介質直接沖擊該處位置，導致這個地方的壓力最大；流體在閥芯處發生90°轉彎，在閥芯向出口接管方向流動過程中，有部分流動滯止區發生能量轉化。從圖7中也可以看出：在閥芯處流體直接沖擊該處，導致該位置的速度較低，當流體發生流動轉向后，發生局部流動分離，出口接管上部的流體流速較大，而下部區域存在局部流動死區，流速較低。

圖5 邊界條件示意圖 圖6 X中心截面壓力云圖(Pa) 圖7 X中心截面速度云圖(m/s)

3 仿真與試驗對比

本文重點研究空調用截止閥的流通性能，而HyperWorks CFD的后處理不能直接輸出截止閥流通性能指標流量系數Kv值，只能輸出流量，流量與Kv值的換算關系式如下：

Kv=0.865QρΔp.

其中：Q為流量；ρ為截止閥內流體密度；Δp為截止閥進出口壓差。

利用流量與Kv值的換算關系式進行換算，得到仿真流量系數為0.601 m3/h。表1為截止閥流量系數仿真結果與試驗結果的對比情況，其中試驗數據為同一種產品規格重復測試10次。

從表1可以看出：截止閥流量系數10次試驗數值和仿真結果的最大誤差為4.33%，最小誤差僅為0.67%，全部低于工程常用5%誤差以下的考察標準。利用趨勢曲線圖可以更加直觀地看到仿真和試驗對比的吻合程度，如圖8所示。

表1 流量系數仿真與試驗對比

以上驗證了仿真模型和方法的準確性和有效性，證明可以利用CFD仿真方法進行截止閥結構流通能力的驗證，后續產品設計過程中可以快速對設計方案進行流通能力評估，以及產品結構的優化和驗證。

圖8 流量系數仿真與試驗對比趨勢圖

4 結論

(1) 利用CFD仿真技術對空調用截止閥流通性能進行仿真計算，并對截止閥產品的計算結果與試驗結果進行對比。

(2) 根據分析和試驗結果，可知仿真模型的準確性，證明利用CFD仿真技術可以對截止閥流通性能進行分析，利用該方法可進行截止閥產品流通性能的設計和優化，對產品開發具有很好的參考價值。