冰箱毛细管出口气液两相流理论
刘益才，曹立宏，杨智辉，刘振利，黄 谦
(中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙，410083)
摘 要：利用计算流体力学商业软件，建立锥形管内部气液两相流模型，对制冷剂喷射现象进行仿真研究；考察湍流强度、压力和流速沿流动方向的变化情况及流场分布情况。结果表明：喷射流场在进入锥形管20 mm内呈现出较强的湍流现象，其后流场渐趋平稳，锥形管进口段流动呈现出极大的不稳定性；制冷剂在毛细管出口10 mm内压力稍上升，随后迅速下降；建立的计算模型能够较好地预测管内流动状况；由于管截面均匀变化，高速喷射流体冲刷管内低速流体没有引起涡流现象，表明锥形管具有稳定流场的作用。
关键词：CFD；锥形管；气液两相流；双流体模型
中图分类号：TB651 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2007)03-0450-04
Theoretical research on gas-liquid two-phase flow at outlet of refrigerator capillary
LIU Yi-cai, CAO Li-hong, YANG Zhi-hui, LIU Zhen-li, HUANG Qian
(School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: Based on the CFD business software, a gas-liquid two-phase flow model was set up and an emulation research of the sprayed phenomenon inside the cone tube was carried out. Turbulent intensity, pressure and velocity along with the flow direction were investigated. The results show that turbulence phenomenon of the spray flow field is stronger at 20 mm of the cone tube, and it is gradually stable and thereafter flow in field, where the flow at the inlet of the cone tube still demonstrates the great instability. The pressure of refrigerant rises slightly in the exit of the capillary 10 mm, getting faster to drop afterwards. The computation model can be used to predict the situation of the inside flow. Because of the even change of sectioning, the high speed fluid does not cause the vortex phenomenon. It is obvious that cone tube is useful to the stabilization of the flow.
Key words: CFD; cone tube; gas-liquid two-phase flow; two fluid model
现有冰箱等小型制冷装置大都使用毛细管作为节流降压装置。由于毛细管外径一般在2 mm左右，而冰箱蒸发器内径一般为6~7 mm，因此，在两者直径相差较大的情况下，通常使用一段锥形渐扩管作为毛细管出口与蒸发器入口的过渡连接，以期减小截面突扩对流动造成的不稳定性。流动的不稳定性往往诱发气流噪声。对于冰箱这种在居室内使用的家电产品言，对噪声的大小及其声品质的好坏具有较高的要求。笔者在对现有冰箱进行噪声测量及管内流动状况的实验研究时发现，虽然压缩机噪声仍然是冰箱的主要噪声源，但是，毛细管出口的喷射噪声在整体噪声水平中也占有一定比例[1-2]。由于制冷剂在毛细管内流动的复杂性，其机理至今尚未得以充分认识[3-5]，因此，给毛细管出口制冷剂状态及其在锥形管内喷射状况的研究带来了较大困难。在此，本文作者利用计算流体力学软件建立气液两相流动的数学模型，对锥形管内部流场进行数值仿真，研究相关参数对流动状况的影响，探索其内在流动规律。
1 数学模型
1.1 控制方程
对锥形管内的气液两相流，以可压缩的二维轴对称N-S方程作为控制方程，并采用标准k—ε两方程湍流模型，建立封闭的控制方程组[6-8]：
控制方程中各参数具体形式见表1，方程中所涉及的系数采用推荐的经验常数：
=1.0；
=1.314；
=0.09；
=1.44；
=1.92；
=0.5；
=0.5[9]。
在流场计算时，应用壁面函数法[9-10]并考虑壁面与湍流层之间粘性支层对仿真效果的影响。同时，采用交错网格和相间耦合Simple算法离散上述控制方程。选用Mixture Model模型，同时打开Cavitation气化速率模型，加载自编UDF 程序[11-13]模拟制冷剂在渐扩管中的蒸发过程。设定压力进出口边界条件，计算锥形管内部的喷射流场。
1.2 网格划分
图1所示为计算区域锥形管实际尺寸图，左端进口连接毛细管，右端出口连接蒸发器。由于锥形管呈细长状，锥度不是很大，因此，采用结构化网格方法，同时在近壁面及过流断面变化处对网格进行加密处理，即可画出质量较高的网格，如图2所示，网格面总数为8 560个。
图1 计算区域实物图
Fig.1 Material object in calculated area
表1 控制方程各参数具体形式
Table 1 Concrete form of parameters in control function
图2 网格划分
Fig.2 Dividing nets
2 模拟结果与分析
本研究以某型号冰箱具体实验工况作为研究对象，以R134a为制冷剂，取锥形管段(80 mm)至蒸发器(含10 mm蒸发器段)入口为计算区域。
图3给出了湍流强度沿轴线的变化情况。从图3可以看出，在锥形管出口10~20 mm 管段内湍流强度迅速增大，并达到最大值，随着流动的进行，在20 mm之后湍流强度又逐渐减小，但是，减小趋势逐渐变慢，可以预见湍流强度在进入蒸发器之后将达到一个稳定值。对于圆形喷口，由于锥形管入口管径为2 mm，因此，这段距离正好处于喷注的核心与过渡区域，而喷注噪声大部分来自混合区和过渡区的湍流运动[14-15]。
图3 湍流强度沿轴向变化图
Fig.3 Turbulence intensity along axial
图4和图5所示分别为压力沿轴向变化曲线图和压力流场图，从图4可以看出，从毛细管出口喷射出来的高速制冷剂在锥形管进口10 mm范围内压力略有增大，随后又迅速降低，随着临近蒸发器而逐渐变缓。由于制冷剂在毛细管出口处于两相流状态，一方面，由于截面积的变大，对气态制冷剂而言比热容有变大的趋势，另一方面，由于液态制冷剂不断蒸发，在一定程度上弥补了截面积变大造成比热容的减小，这两者的综合效果导致在毛细管出口处压力呈稍微上升的趋势；过了10 mm流程之后， 进入自由膨胀过程，制冷剂的压力和温度都有很大程度的降低。从图5可以看出，同一截面上核心部分压力要远远高于边界部分压力。
图4 压力沿轴向的变化
Fig.4 Pressure gradient along axial
图5 压力流场图
Fig.5 Diagram of pressure field
6和图7所示分别为制冷剂喷射速度沿轴线变化曲线图及速度矢量图。从图6可以看出，由于制冷剂在毛细管出口达到“壅塞”状态，在进入锥形管后，由于流动截面增大，流速开始迅速减小，其变化幅度沿轴线渐趋缓慢。结合图4可知，由于制冷剂在锥形管进口段压力有所升高，因此，进一步抑制了制冷剂在锥形管内的蒸发速度，使得流速无法由于大量制冷剂的蒸发而变大，因此，在开始阶段流速下降较快。图7显示在同一截面上，速度核心的流速比边界上流速要大许多，也就是说，在锥形管进口段，喷射流体对管内低速流体具有很大的冲击作用，但是，由于管截面均匀增大而且锥度较小，这种冲击并未产生涡流现象。随着流动的进行，冲击能量渐渐耗散，整个截面速度趋向平均值。
图6 流速沿轴线的变化
Fig.6 Velocity gradient along axial
图7 速度矢量图
Fig.7 Diagram of velocity vectors
3 结 论
a. 利用所建立的锥形管内部气液两相法模型可以有效地预测管内流动状况。由于管截面均匀变化，高速喷射流体冲刷管内低速流体没有引起涡流现象，可见锥形管在稳定流场方面具有一定的作用。
b. 制冷剂流动速度变化、压力变化以及湍流强度的剧烈变化都发生在锥形管径口前20 mm处，这些参数强烈变化导致较大的流体噪声。制冷剂在毛细管出口10 mm距离内压力稍有上升，随后迅速下降。
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收稿日期：2006-11-08
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50676110)
作者简介：刘益才(1968-)，男，湖南邵阳人，博士，副教授，从事热声热机、斯特林制冷机、高效蓄冷蓄热材料、微型低温制冷机以及微型制冷系统振动和噪声抑制等研究
通讯作者：刘益才，博士，副教授；电话：13755052517(手机)；E-mail: lyccsu@mail.csu.edu.cn
