浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司 張克鵬

一、引言

電子膨脹閥是一種可按預(yù)設(shè)程序進(jìn)入制冷裝置的制冷劑流量的節(jié)流元件。在一些負(fù)荷變化劇烈或運(yùn)行工況范圍較寬的場合，傳統(tǒng)的節(jié)流元件（如毛細(xì)管、熱力膨脹閥等）已不能滿足舒適性及節(jié)能方面的要求，電子膨脹閥結(jié)合壓縮機(jī)變?nèi)萘考夹g(shù)已得到越來越廣泛的應(yīng)用。

電子膨脹閥的優(yōu)點(diǎn)：流量控制范圍大、反應(yīng)靈敏、動(dòng)作迅速、調(diào)節(jié)精細(xì)、動(dòng)作穩(wěn)定、可以使制冷劑往、返兩個(gè)方向流動(dòng)，彌補(bǔ)了毛細(xì)管和熱力膨脹閥不能調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)等，是空調(diào)系統(tǒng)中一種高檔的降壓節(jié)流元件。

由于電子膨脹閥屬于精密件，其閥體內(nèi)制冷劑的流動(dòng)情況一定程度上影響整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的制冷效果，閥體內(nèi)制冷劑流動(dòng)越均勻，流動(dòng)越穩(wěn)定，制冷效率越高。本文利用流體力學(xué)仿真的方法對空調(diào)電子膨脹閥進(jìn)行CFD 分析，根據(jù)分析結(jié)果判定設(shè)計(jì)方案的合理性，并以此為基礎(chǔ)在后續(xù)膨脹閥設(shè)計(jì)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

二、流體力學(xué)方程

計(jì)算流體力學(xué)是把描述空氣運(yùn)動(dòng)的連續(xù)介質(zhì)數(shù)學(xué)模型離散成大型代數(shù)方程組，并在計(jì)算機(jī)上求解。通過微分方程的離散化和代數(shù)化，把偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程，再通過適當(dāng)?shù)臄?shù)值計(jì)算方法求解方程組，得到流場的數(shù)值解，然后通過不同的擬合方法把節(jié)點(diǎn)解擬合到網(wǎng)格的對應(yīng)區(qū)域。

流體流動(dòng)時(shí)所有介質(zhì)滿足物理守恒定律：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。在流體流動(dòng)處于湍流狀態(tài)時(shí)，整個(gè)體系還要遵循湍流運(yùn)輸方程。以上這些守恒定律的數(shù)學(xué)描述，統(tǒng)稱為控制方程。文中選用CFD 軟件中提供的Realizablek-ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

湍流控制方程為三維不可壓縮雷諾時(shí)均Navier-Stokes方程：

（1）質(zhì)量守恒方程

（2）動(dòng)量方程

（3）能量方程

其中div 為矢量符號，div(a)=?ax/?x+?ay/?y+?az/?z，grad 為梯度符號。

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；u為速度矢量，m/s；u、v、w 是速度矢量u 在x、y、z方向的分量；x、y、z為流體流動(dòng)方向；p為流體微元體上的壓力，N；τ為粘性應(yīng)力，Pa；Fx、Fy、Fz為x、y、z三個(gè)方向上微元體體力，N；T為溫度，K；k為流體換熱系數(shù)，W/㎡·K；cp為流體比熱容，J/(kg·K)；ST為流體內(nèi)熱源和由粘性作用引起流體機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，J。

三、模型建立及邊界條件

1、三維模型建立

計(jì)算模型為某空調(diào)電子膨脹閥，采用SolidWorks 進(jìn)行三維模型，圖1 為三維模型中心剖面圖，電子膨脹閥由針閥、磁體、及上下蓋等部件組成。針閥的開度大小靠回氣過熱度（通過回氣溫度和壓力檢測得到）控制，過熱度越大開度越大，過熱度越小開度也就越小。幾何模型生成后，為了建立流體仿真模型，需要將電子膨脹閥模型從SolidWorks 中導(dǎo)出為.STP 格式。

圖1 電子膨脹閥三維模型中心剖面圖

2、網(wǎng)格模型建立

圖2 電子膨脹閥網(wǎng)格模型

針對該電子膨脹閥，文章采用主流CFD 前處理軟件ICEM CFD 進(jìn)行幾何清理和網(wǎng)格劃分，由于模型較為復(fù)雜，考慮實(shí)際的計(jì)算資源的限制，需要對膨脹閥三維CAD 模型進(jìn)行簡化，去除對流動(dòng)影響不是很大的倒角和間隙，確保模型完全封閉，然后提取流體計(jì)算域。電子膨脹閥的三維數(shù)模和流體計(jì)算域模型如圖2 所示。

由于流道形狀不規(guī)則，對流體計(jì)算域模型采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格劃分方式，計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)量約為100 萬。

圖3 電子膨脹閥網(wǎng)格質(zhì)量

3、邊界條件的設(shè)定

由于制冷劑液體在節(jié)流過程中，流動(dòng)比較復(fù)雜，這里暫不考慮相變，本文從流動(dòng)和壓力角度進(jìn)行仿真計(jì)算，考察結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。計(jì)算設(shè)置流動(dòng)工質(zhì)為液態(tài)的R410A制冷劑，粘性系數(shù)η=0.000107（kg/m.s）密度ρ=1.002×103(kg/m3)。具體設(shè)置如下：

(1)總體設(shè)置：流體為制冷劑R410A，不考慮能量轉(zhuǎn)化，僅作流場分析和壓力分析。計(jì)算軟件為大型CFD 商用軟件ANSYS Fluent，采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-e模型，進(jìn)出口邊界條件選擇壓力進(jìn)口、壓力出口邊界條件。壓力速度耦合采用SIMPLE 算法，對流項(xiàng)離散格式采用二階迎風(fēng)格式，各方程收斂標(biāo)準(zhǔn)均設(shè)置為10-5。

(2)進(jìn)口邊界條件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=2.2MPa，湍流強(qiáng)度為5%，水力直徑為0.0061m。出口邊界條件湍流定義方法也為湍流強(qiáng)度+水力直徑，出口壓力為P=0.9MPa，湍流強(qiáng)度為5%，水力直徑為0.0061m。

四、CFD 計(jì)算結(jié)果分析

1、制冷工況

制冷工況下，制冷劑從A 側(cè)接管進(jìn)入，從B 側(cè)接管流出，設(shè)定閥的開度為全開狀態(tài)。圖4、圖5 分別為制冷工況下，電子膨脹閥模型內(nèi)部截面速度等值云圖和速度矢量圖。

圖4 制冷工況內(nèi)部截面速度等值云圖 (速度/m/s)

圖5 制冷工況內(nèi)部截面速度矢量圖 (速度/m/s)

從圖中可以看出：制冷工況為制冷劑從A 側(cè)彎管進(jìn)入，從B 側(cè)直管流出，最大速度約41m/s，位于圖5 所示的針閥和閥口之間的區(qū)域，而在出口管進(jìn)口左下側(cè)區(qū)域存在渦旋回流區(qū)。

圖6 制冷工況內(nèi)部截面壓力等值云圖 (壓力/Pa)

對比圖4 和圖6 可以看出，電子膨脹閥內(nèi)部的靜壓分布與速度分布相對應(yīng)，即在速度高的區(qū)域靜壓較低，在速度低的區(qū)域靜壓較高，在針閥和閥口間隙區(qū)域壓力較低。

2、制熱工況

制熱工況下，制冷劑從B 側(cè)接管進(jìn)入，從A 側(cè)接管流出，設(shè)定閥的開度為180 步。圖7、圖8 分別為制熱工況下，電子膨脹閥模型內(nèi)部截面速度等值云圖和速度矢量圖。

圖7 制熱工況內(nèi)部截面速度等值云圖 (速度/m/s)

圖8 制熱工況內(nèi)部截面速度矢量圖 (速度/m/s)

從上圖電子膨脹閥模型內(nèi)部截面速度等值云圖和矢量圖中可以看出：制熱工況為制冷劑從B 側(cè)直管進(jìn)入，從A 側(cè)彎管流出，最大速度約114m/s，位于上圖所示的閥針和閥口偏上區(qū)域，整個(gè)區(qū)域不存在流動(dòng)回流區(qū)域。

圖9 制熱工況內(nèi)部截面壓力等值云圖 (壓力/Pa)

對比圖7 和圖9 可以看出，在制熱工況下，電子膨脹閥內(nèi)部的靜壓分布與速度分布相對應(yīng)，即在速度高的區(qū)域靜壓較低，在速度低的區(qū)域靜壓較高，在針閥和閥口間隙區(qū)域壓力較低。

五、結(jié)論及展望

利用計(jì)算流體力學(xué)仿真技術(shù)對制冷劑在空調(diào)電子膨脹閥內(nèi)部的流動(dòng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在制冷工況下，出口管進(jìn)口左下區(qū)域存在渦旋回流區(qū)。

在后續(xù)電子膨脹閥開發(fā)過程中，建議設(shè)計(jì)方案定型前，進(jìn)行各工況充分的仿真分析驗(yàn)證，有效避免設(shè)計(jì)缺陷，提高產(chǎn)品可靠性和使用性能。