冰箱毛细管出口气液两相流理论

   

    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]：

    式中：i 和 j 为坐标方向；k 为气相或液相；kkα , ρ和u_k分别为 k 相体积分数、密度和速度；φk为 k 相的任一物理量；分别为 k 相的扩散系数和源相。

    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：

    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。

    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。