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摘要：电子膨胀阀是空调运行的关键部件之一，也是可能产生噪声的部件之一。空调运行产生的噪声可能会影响其舒适性，而阀门的两相流致噪声问题也带来了一定的困扰。为解决这一问题，改造阀门结构并进行研究，以实现阀门降噪的目标。针对双向节流元件电子膨胀阀的流动特性，提出了优化方案。其中，在阀门管路上加入沟槽结构以实现制热方向的降噪，对阀门阀座进行倒角处理以实现制冷方向的降噪。通过对原模型和优化模型进行数值计算，得出以下结论：电子膨胀阀的原模型和优化模型的两相流致噪声都主要集中在节流后产生；在制冷方向上，优化模型的流场最大噪声从原模型的111.765 4 dB减小到109.290 5 dB；在制热方向上，阀门下游的噪声明显减小，即优化模型中噪声向下游发展的趋势减小。
关键词：电子膨胀阀；两相流；流致噪声；优化模型
Research on the Characteristics and Noise Reduction Techniques of Two-phase
Flow Induced Noise in Electronic Expansion Valve Song Yongxing，Wang Junyu，Liu Zhengyang，Ge Bingxin，Ma Qizheng（School of Thermal Engineering,Shandong Jianzhu University,Jinan 250101,China）
Abstract:The electronic expansion valve is one of the key components in the operation of air conditioning and one of the components that cause noise.The noise generated by the operation of air conditioning may affect its comfort,and the noise caused by the two-phase flow of valves also poses certain difficulties.In response to this issue,the valve structure is studied and modified to reduce its noise.An optimization scheme is proposed according to the flow characteristics of electronic expansion valves with bidirectional throttling components,which involves adding a groove structure on the valve pipeline to reduce noise in the heating direction and chamfer the valveseat to reduce noise in the cooling direction.By numerical calculations of the original model and the optimized model,it is concluded that the two-phase flow induced noises of the original and optimized models of the electronic expansion valve occur mainly after throttling;in the cooling direction,the maximum noise of the optimized model flow field is reduced from 111.765 4 dB of the original model to 109.290 5 dB;in the heating direction,there is a significant noise reduction in downstream of the valve,indicating a decrease of noise development in the downstream direction in the optimization model.
Key words:electronic expansion valve;two phase flow;flow induced noise;optimization model
0引言
作为管道的常见附件，阀门主要用于释放压力和输送介质，它是整个流体输送系统中的重要部件[1-2]。当阀门流通面积增大时，在同等流速下，流体输送体积增大，流量增大，反之亦然[3]。空调系统中常用电子膨胀阀等阀门起节流降压作用[4-5]。但在节流降压的同时，阀内常常伴随着由空化引起的两相流的产生，同时空化的存在使得空泡产生和溃灭从而引起两相流致噪声的产生[6-9]。
李文清[10]对不同进出口压差下的电子膨胀阀两相流致噪声特性进行了研究，其数值计算结果表明阀内两相流致噪声随进出口压差增大而增大。王世鹏[11]利用数值计算对阀内流致噪声的特性进行了研究，结果表明当开度大于20%时，阀门辐射噪声随着开度的增大，呈先减小后增大的趋势。杜沂[12]通过CFD数值计算研究了阀门开度对内部流场噪声的影响，结果表明流场噪声随阀门开度增大呈先减小后增大的趋势。由此可以看出，阀门开度、阀门进出口压差即边界条件都是影响电子膨胀阀两相流致噪声的因素。但除此外，阀门结构也是影响内部流场的因素之一，不同的阀门结构在一定程度上会对两相流致噪声产生增大或减小的影响[13-14]。
黄皓[15]利用数值计算研究了阀门扩口角度以及喷孔长度对两相流致噪声的影响，结果显示当扩口角度减小时，上游流场的最大噪声有所减小。刘诗岩[16-17]基于掺气空化理论对电子膨胀阀进行加旁通管，对其进行加单一旁通管改进后制冷剂的流动噪声降低了3.16 dB；双旁通电子膨胀阀和四旁通电子膨胀阀比原电子膨胀阀产生的噪声值分别降低2.729 dB和3.778 dB。Zhang等[18]利用CFD对电子膨胀阀下游加螺旋导叶的结构进行数值计算，计算结果表明该模型对比原模型的流场最大噪声减小了13 dB。由此可见阀门结构对内部流场噪声有不可忽视的影响。
改变阀门结构势必会引起内部流场的变化，但通过正确改造阀门结构也可以实现阀门降噪的目的，应用在实际工程上也可以进一步使得空调朝着降噪舒适的方向发展。本文以空调常见电子膨胀阀为研究对象，在管路上加沟槽结构以实现制热工况的降噪；通过对阀座进行倒角处理以实现制冷工况的降噪。
1电子膨胀阀模型
1.1物理模型
某脉冲式电子膨胀阀的模型剖面图如图1（a）所示。该电子膨胀阀主要由阀座、阀芯、阀腔以及管路组成。在空调运行过程中，电子膨胀阀常常伴随着两相流致噪声的产生，为了减小空调运行过程中制冷剂产生的流致噪声，本文拟对阀门结构进行改造。即在管路上进行沟槽结构优化，同时对阀座结构进行改造，优化后的阀门结构如图1（b）所示。
所研究的电子膨胀阀为双向节流元件，在制冷工况时常见阀门开度为100~200脉冲，在制热工况时常用阀门开度为300~400脉冲。图2~3分别为优化前后制冷模式和制热模式下的计算流体域，图中箭头所示方向即为制冷剂流向。本计算流体域分别是制冷时120脉冲和制热时300脉冲时的计算流体域。
1.2数学模型
（1）空化模型
设定温度下液体的压力可以逐渐减小，此压力可以降低到设定温度下液体的饱和蒸汽压以下。在设定的温度下通过减小压力使液体中产生气泡，并使气泡溃灭的过程称为空化。通过对比Schnerr-Sauer和Zwart-Gerber-Belamri空化模型，考虑到气液两相之间的相变过程和湍流压力脉动对气化压力的影响，选择Schnerr-Sauer模型对空化现象进行捕获，控制方程为：
（2）湍流模型
两方程适用于由压差引起的流动，由于电子膨胀阀内部结构复杂，在阀节流后，流速增大，其流动属于高雷诺数的湍流流动，因此选择k-ε模型，由于在流动过程中，压力梯度不是很大，忽略了流体分子间的黏性作用对流体流动的影响，且由于两方程湍流模型需要的计算机资源较小，计算精度较高，适用于由于压差引起的流动的数值模拟，因此本次计算的湍流模型采用标准k-
（3）多相流模型
常用的多相流模型有VOF模型、混合模型和欧拉模型，其中欧拉模型主要用于气泡柱、上浮等一些较为复杂的问题，考虑到本文计算较为简单，因此采用混合模型或者VOF模型。虽然混合模型和VOF模型都可用于求解分层流、自由面流动、以及液-气分界面的瞬时分界面，但混合模型的优势在于，在某一控制体积的体积分数中，允许存在不同的相，即允许相之间的相互穿插，更适用于两相流动。故此，采用混合模型（Mixture）进行计算。
（4）噪声模型
关于声学模型计算，在噪声源较多的情况下，宽频噪声模型具有较高的精度，且空化噪声主要分布在宽频范围内，因此选取宽频噪声模型（Broadband Nois Source8）进行噪声分析，控制方程为：
式中：U为湍流速度，m/s；l为湍流特征长度，m；α0为声速，m/s；α为模型常数。
1.3边界条件及初始条件
分别以压进压出为边界条件对制冷和制热模式下的工况进行计算。以入口压力为2.632 5 MPa出口压力为0.775 9 MPa为边界条件对120脉冲时的制冷工况进行计算。以入口压力2.208 MPa出口压力2.105 MPa为边界条件对300脉冲时的制热工况进行计算。以时间步长19.53μs进行计算，当阀门进出口流量相当时认为计算收敛。
为了确保数值计算的准确性、可信性，通常在计算之前要对网格的无关性进行验证[19-20]。由于电子膨胀阀的上下游区域结构较为简单，而在其节流区域结构复杂、面积较小，因此要在该区域进行网格加密。以阀门脉冲数为120步为模型，对其进行网格划分。为了确定计算网格的数量，选用不同加密尺寸对其节流孔进行加密，最终得到4种不同数量的网格计算模型，如图4所示。
以流量入口和压力出口为边界条件，当计算收敛时对比进出口流量来判定网格无关性。表1所示为不同网格数量时进出口流量以及进出口流量误差。从表中可以看出该工况下阀门的进出口流量误差随网格数量增大而减小。同时考虑计算时间和计算准确性选用104.65万网格进行计算。
2优化前后对比分析
2.1制冷方向
2.1.1湍动能分布
湍流动能的大小对于流体运动的稳定性有重要影响。当湍流动能较大时，流体运动会变得不稳定，容易产生涡旋和涡流等不规则运动。这种不规则运动会导致流体的能量损失和流动阻力的增加从而影响流体的运动效率。图5为在制冷工况下原模型与优化模型的湍动能分布。可以看出，湍动能主要集中分布在阀芯周围以及阀座壁面位置。与原模型相比，优化模型阀芯周围的湍动能明显减小，并且优化后的阀座壁面附近的湍动能也减小明显。
2.1.2涡量分布
涡量是描写旋涡运动最重要的物理量之一，定义为流体速度矢量的旋度。图6为原模型及优化模型在制冷工况时XY剖面上的涡量分布。从图中可以看出优化模型与原模型在阀芯附近涡量都较大，与原模型相比优化模型在阀针附近的涡量有所减小，但在阀座与管路衔接区域涡量明显增大。
2.1.3声功率级分布
当流体下进上出时为制冷工况，在制冷剂流经阀门喉部时横截面收缩流速增大，此时压力势能转变为动能同时伴随着能量损失，而这部分损失会以声能的形式向外辐射形成噪声。图7为原模型与优化模型在制冷工况时的噪声分布，从图中可以看出噪声主要集中在阀门喉部和节流后。与原模型相比优化模型流场的最大噪声从111.765 4 dB减小到109.290 5 dB，并且在XY剖面上可以明显看出阀芯附近的噪声明显减小。
图8为原模型与优化模型在阀座上的噪声分布。图示阀座区域噪声较大，这是由于节流后流体具有较大的动能冲击力较强从而撞击阀座因而噪声较大。在优化模型中对阀座进行倒角设计从而减小了流体对阀座的冲击，因而图示中阀座撞击面上的噪声明显减小。但在节流后两相流致噪声向下游发展的区域变大，及在下游管路上噪声有所增大，但对比流场最大噪声该区域的噪声并没有原模型阀座壁面上的噪声显著，因而降噪效果较好。
2.2制热方向
2.2.1湍动能分布
图9为在制热方向原模型及优化模型在XY剖面上的湍动能分布，图中标注位置是该剖面上湍动能极值区域。可以看出，优化前后该剖面上的湍动能分布相似，主要集中分布在阀门节流后区域，在节流前表现不明显。与原模型相比节流后标注区域的湍动能都有明显减小。
2.2.2涡量分布
图10为原模型与优化模型在制热方向上的涡量分布，从图中可以看出涡量主要集中在阀门节流后，并且在阀门喉部涡量较大。受流体流动的影响阀门下游流动较为不稳定，在涡量从阀门喉部开始产生并逐渐向下游发展，但与原模型相比优化模型节流后的涡量向下游发展的趋势减小。
2.2.3声功率级分布
在进行制热时，制冷剂上进下出因而噪声主要产生的下游区域。图11为在制热方向原模型与优化模型在XY剖面上的噪声分布，从图中可以看出原模型与优化模型的噪声分布相似，流场中的最大噪声都出现在阀芯下方，但与原模型相比优化模型中的最大噪声从68.169 19 dB增大到74.19 dB。虽然流场中的最大噪声有所增大，但阀门下游噪声有明显减小，即图中区域①噪声明显减小，其次在下游弯管区域②噪声明显减小，即原模型中噪声向下发展的区域较大，而优化模型噪声向下发展趋势明显减小，因而降噪效果显著。
3结束语
本文以脉冲式电子膨胀阀为研究对象，在对管路进行加沟槽结构和阀座倒角处理后对优化模型进行数值计算，通过对比原模型流场特性最终得到以下结论。
（1）无论是制冷方向还是制热方向，电子膨胀阀的两相流致噪声集中在节流后产生。
（2）在制冷方向上优化模型流场的最大噪声从原模型的111.765 4 dB减小到109.290 5 dB，并且在XY剖面上可以明显看出阀芯附近的噪声明显减小。与原模型相比，优化模型阀芯周围的湍动能明显减小，并且优化后的阀座壁面附近的湍动能也明显减小，因而降噪效果显著。
（3）在制热方向上阀门下游噪声有明显减小，即节流出口区域噪声明显减小。其次在下游弯管区域噪声也有所减小，即原模型中噪声向下发展的区域较大，而优化模型噪声向下发展趋势明显减小，因而降噪效果显著。
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