孫 歡 雷卓婭 滕信波 朱俊達

(天津商業(yè)大學天津市制冷技術(shù)重點實驗室，天津 300134)

制冷設備中，蒸發(fā)器管路內(nèi)的制冷劑能否實現(xiàn)均勻分配，對蒸發(fā)器的換熱性能起著關(guān)鍵作用。制冷劑經(jīng)膨脹閥后，流態(tài)為兩相流，為了盡可能實現(xiàn)制冷劑的均勻分配，輔助元件分流器至關(guān)重要[1-3]。系統(tǒng)的支路供液過量容易造成回氣帶液，節(jié)流元件接收錯誤的信號工作異常，而制冷劑供液較少的支路其蒸發(fā)面積得不到充分利用，導致過熱度高，使得換熱效率降低，系統(tǒng)性能惡化[4-5]。徐博等[6]在多種干度和質(zhì)量流量條件下，通過CFD模擬，提出了一種新型雙筒體型分流器。孫文卿等[7-8]通過CFD模擬，分別開發(fā)了一種新型錐形分流器和一種頂部帶有旋流葉片結(jié)構(gòu)的泡罩型分流器。翁曉敏等[9]通過CFD模擬，提出了6種新型插孔式分流器結(jié)構(gòu)。Fan等[10]設計了7個不同結(jié)構(gòu)的分流器，并通過CFD模擬研究其流量分配性能和能量耗散。Pu等[11]根據(jù)分流器進氣管的特點，提出了一種新的進氣管結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略。李登穩(wěn)等[12]對文丘里型氣液分流器進行研究，得到多組相含率和速度矢量圖。Raynal等[13]選擇VOF模型模擬了分流器內(nèi)氣液兩相流體的流動。Wu等[14]提出了基于簡單結(jié)構(gòu)構(gòu)建環(huán)形流實現(xiàn)均勻分液的分流器，其分配性能優(yōu)于目前最常用的圓錐式分流器。Sun等[15]基于“流型整定和臨界分流”的分配理念，提出了一種分流效果較好的新型分流器整流噴嘴式臨界分流器，與文丘里式分流器相比，制冷量提高了22.7%。

但是，上述分流器仍存在以下不足:① 對分流效果較好的新型整流噴嘴式分流器的數(shù)值模擬研究有限；② 入口流型是影響分流均勻性的重要因素之一，目前對通過數(shù)值模擬詳細分析分流器內(nèi)部相分布情況和流型的研究較少；③ 分流效果改善的研究主要集中在對分流器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化上，而對通過選取最佳入口工況形成對稱流型—環(huán)形流來改善分配均勻性的研究較少。因此，文章擬構(gòu)建新型分流器整流噴嘴式分流器的物理模型，采用CFD數(shù)值模擬其內(nèi)部相分布情況和氣液兩相分離程度；基于模擬結(jié)果，期待找出該分流器實現(xiàn)環(huán)形流均勻分液的最佳入口工況，為提高制冷劑分配均勻性提供新的思路。

1 模型的建立

1.1 幾何模型建立

分流器工作原理如圖1所示，主要可分為3階段：旋流擾動階段、環(huán)狀流整定階段和臨界分流階段。第1階段，氣液兩相制冷劑在旋流葉片的擾動下，液體流向管壁，氣體集中在中路，第2階段整流器整流，第3階段經(jīng)過擾動和整流后流型趨于對稱穩(wěn)定，到達噴嘴時，基本實現(xiàn)氣液均勻分配。

圖1 整流噴嘴式分流器原理圖

整流噴嘴式分流器的核心部件是旋流葉片和聲速噴嘴，其中噴嘴喉部臨界直徑0.2 cm，噴嘴長度3 cm，葉片L長10 cm，螺距c為2.5 cm，管內(nèi)徑d為0.84 cm，入口管徑D為 5 cm，其物理模型分別如圖2和圖3所示。

圖2 整流噴嘴式分流器

圖3 旋流葉片建模

1.2 網(wǎng)格劃分

采用ICEM CFD 16.0劃分網(wǎng)格，考慮到網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響數(shù)值計算結(jié)果，分流器整體結(jié)構(gòu)復雜，因此進行分塊劃分網(wǎng)格。由于流體經(jīng)過旋流葉片和噴嘴時速度增大，流場復雜，因此，旋流葉片和噴嘴處的網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而其他部分均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。經(jīng)網(wǎng)格獨立性檢驗，最終選定計算模型的網(wǎng)格數(shù)2 274 129，網(wǎng)格質(zhì)量0.7，分流器的網(wǎng)格劃分如圖4～圖6所示。

圖4 分流器整體網(wǎng)格示意圖

圖5 旋流葉片的網(wǎng)格劃分

圖6 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分

在CFD分析中，將質(zhì)量和動量守恒方程離散為代數(shù)方程，用有限容積法求解方程組[16-17]。

(1) 體積分數(shù):

(1)

(2) 連續(xù)性方程:

(2)

式中：

(3) 動量方程:

(3)

式中：

(4) 湍流模型:目前計算氣液兩相流的數(shù)學模型較多，而雷諾應力模型(RSM)對于氣液兩相分布、預測其流型的精確性較高，更適合于氣液兩相流的計算，其具體形式如下[18-20]：

(4)

其中，對流項為左邊第2項；右邊分別為湍流擴散項、分子擴散項、應力產(chǎn)生項、浮力產(chǎn)生項、壓力應變項、耗散項和系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生項。

2 計算方法與邊界條件

2.1 計算方法

(1) 選用FLUENT 16.0作為數(shù)值模擬軟件，F(xiàn)LUENT 3D單精度求解器求解。

(2) 模擬流體以湍流形式流動，只考慮分流器內(nèi)兩相流體的流動，不考慮相間的傳熱傳質(zhì)以及制冷劑與管壁間的換熱。多相流模型選擇適用于均勻多相流的混合物模型，湍流模型選擇RSM模型，壁面函數(shù)為Standard Wall Function。

(3) 模型采用非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算，模型各物理量參數(shù)的收斂標準為一階迎風差分格式，控制方程的殘差控制在10-4以下，采用SIMPLE算法計算壓力速度耦合，松弛因子為系統(tǒng)默認值，初始化模型流場后，開始計算。

2.2 邊界條件

模型計算設置入口邊界條件為速度入口，數(shù)值為0.25～10.00 m/s，出口邊界條件為壓力出口。其主相為液相，次相為氣相，入口干度為0.05～0.50，使用無滑移邊界條件。

制冷劑選用R22，其物性參數(shù)通過Refprop 9.0查詢，主要模擬分流器內(nèi)部的相分布，考慮到分流器內(nèi)部的壓降較小，主要壓降在分流管，選用蒸發(fā)溫度為-25 ℃時的物性參數(shù)，如表1所示。

表1 R22物性參數(shù)

2.3 模型驗證

利用Han等[21]的試驗數(shù)據(jù)驗證數(shù)值模型的正確性。為保證模型驗證的可靠性，驗證設置的模擬工況、工質(zhì)與Han等的試驗工況、工質(zhì)一致，具體工況見表2。此外，提出兩個誤差因素——流量比相對偏差和質(zhì)量流量標準差相對偏差，以量化評價整流噴嘴式分流器模型模擬結(jié)果的可靠性，如式(5)、式(6)所示。

表2 CFD工況

(5)

(6)

式中:

SCFD——CFD模擬的標準差；

Sexp——試驗結(jié)果的標準差。

由圖7可知，5種工況下，Han等[21]與試驗分流器模擬的流量比和質(zhì)量流量標準差的最大相對偏差均<10%。因此，文中所提出的新型整流噴嘴式分流器具有較高的可靠性，可用于進一步研究。

圖7 試驗與模擬的相對偏差

3 結(jié)果與討論

3.1 分流均勻性的評判指標

為對分流器分流的均勻性進行評判， Habib等[22-24]引入分流率ε和不均勻度S作為評判標準。其中分流率用來反映各個支管具體的分流效果，定義為各支管流量與總?cè)肟诹髁康谋戎担徊痪鶆蚨妊芯糠至髌髡w分流的均勻程度，數(shù)值越小，表示分流越均勻，具體計算式如下：

ε=qi/q總，

(7)

(8)

式中：

qi——第i根管的流量，kg/s；

q總——i根管的總流量，kg/s；

n——支路數(shù)量。

3.2 入口流速對分配均勻性的影響

袁培等[25]發(fā)現(xiàn)，當制冷劑入口流速由0.25 m/s遞增至2.50 m/s時，同類型分流器各個支管的不均勻度相差<1%，基本能實現(xiàn)均勻分液。董續(xù)君等[26]研究表明，隨著質(zhì)量流量的增大，偏差率變小。Lee等[27-28]發(fā)現(xiàn)突出的通道末端具有較高的混合效應。通過適當調(diào)整支管侵入深度，隨著液體流速的增加，液體的軸向動量會被通道的突出端大大衰減，并在通道末端附近發(fā)生強烈的局部再循環(huán)，使得氣體與液體的局部混合加強，兩相混合物的流動則更像一種均勻流動，最終流型達到比較理想的狀態(tài)。因此，設置工況入口干度0.2，入口流速分別為0.25，0.50，1.00，1.50，2.50，4.00，6.00，8.00 m/s，在此條件下進行模擬，得到不同流速下的流場分布、分流率和不均勻度S如表3所示。

表3 不同流速下分流器的分流率及不均勻度

由圖8可知，不均勻度最小值為0.632%，最大值為1.842%，相差不超過2%，分流率均在平均值0.167附近波動，分流效果理想。1、2、5號管的分流率較好，各管分流率相差均<0.1%，幾乎接近相等；3、6號管分流率較大，4號管分流率較小，兩管分流率最大相差達到0.6%，需縮短3、6號管和4號管分流率的差距，提高整體均勻性。當入口速度為0.25 ～1.00 m/s時，不均勻度逐漸減小至最小值0.006，之后隨著入口流速的不斷增大，不均勻度逐漸增大。

圖8 不同流速下分流率折線圖及不均勻度S散點圖

由圖9～圖11可知，隨著氣液兩相軸向動量逐漸增大，液膜分布逐漸均勻，形成均勻的環(huán)狀流。入口處，兩相制冷劑并未馬上分離，在旋流葉片的導流作用下，液相制冷劑沿葉片方向向管壁運動；當制冷劑到達分配室后，中間的制冷劑相態(tài)主要為氣相，兩側(cè)的主要為氣液混合物。通過旋流葉片和整流器的混合和整流后，噴嘴入口流型基本達到均勻穩(wěn)定，從而確保接觸氣液兩相的幾率相同，實現(xiàn)分流器的等干度等流量分配。當入口速度為1.00 m/s時，迭代收斂最快，整流形成均勻環(huán)狀流。當入口速度為1.50～6.00 m/s時，流型逐漸變得紊亂，均勻性有所下降，當入口速度為8.00 m/s時，迭代發(fā)散，流型徹底紊亂。

圖9 入口速度為1.00 m/s的相分布圖

圖10 入口速度為6.00 m/s的相分布圖

圖11 入口速度為8.00 m/s的相分布圖

因此，當分流器入口流速為1.00 m/s時，形成均勻穩(wěn)定的環(huán)狀流，整體不均勻度最小，分流效果最佳。

3.3 入口干度對分配均勻性的影響

兩相流中，在一定的入口干度范圍內(nèi)，干度的增加會使兩相流的不均勻度降低。與此同時，分流器分流原理不同以及分流器型號不同，該規(guī)律也會有所差異[29]。此外，空泡系數(shù)[30-31]是區(qū)分兩相流和單相流以及評價兩相流動介質(zhì)狀態(tài)的重要參數(shù)。兩相流介質(zhì)的入口干度與其密切相關(guān)，對兩相流流型和制冷劑的均勻分配影響關(guān)鍵。Byun等[32]研究發(fā)現(xiàn)，一定范圍內(nèi)，標準偏差隨入口干度的增加而減小。隨著入口干度的增加，液體被迫流向下游，兩相射流的強度會有所增加，產(chǎn)生更強的軸向動量，使液體進一步流向下游，分液逐漸均勻。Vist等[33]研究表明，一定范圍內(nèi)，隨著入口干度的增加可以減少因重力對兩相分離而產(chǎn)生的影響。Tandon等[34]提出了一種空泡系數(shù)模型為了兩相環(huán)狀流，Todd等[35]也提出了一種空泡系數(shù)模型為了水平管內(nèi)的環(huán)形流動，其考慮了動量渦擴散系數(shù)阻尼在氣液分界面的影響。

因此，文中設置的工況為入口流速1.00 m/s，入口干度分別為0.05，0.15，0.20，0.25，0.30，0.35，0.50，在此條件下進行模擬，得到不同入口干度下分流器的分流率及不均勻度S見表4。

表4 不同入口干度下分流器的分流率及不均勻度

由圖12可知，不均勻度最小值為0.375%，最大值為1.835%，相差不超過2%，分流率均在平均值0.167附近波動，分液均勻。1～3號管分流率較4～6號管好，分流率相差均<0.1%。4～6號管分流率偏差較大，最大偏差為0.9%，出現(xiàn)了分液不均現(xiàn)象。因此，需縮短5號管和4、6號管分流率的差距，提高整體分流效果。當入口干度為0.05～0.20時，不均勻度逐漸減小至最小值0.003 75，當入口干度為0.20～0.50時，不均勻度逐漸增大。

圖12 不同入口干度下分流率的折線圖和不均勻度散點圖

由圖13～圖14可知，當入口干度為0.05～0.20時，流型由混亂逐漸趨于穩(wěn)定，在旋流葉片的旋轉(zhuǎn)混合下，液相沿管壁方向運動，氣相不斷集中在中路，顯現(xiàn)出均勻的環(huán)狀流。當入口干度為0.20時，混合最均勻；當入口干度為0.25～0.50時，流型逐漸紊亂，盡管經(jīng)旋流葉片和整流器的流型整定，但氣液兩相制冷劑到達分配室時出現(xiàn)了混亂，使得各噴嘴入口處流型不一致，尤其是當入口干度為0.50時，噴嘴入口處的流型已相當紊亂，達不到均勻分流的效果。

圖13 入口干度為0.20時的相分布圖

圖14 入口干度為0.50時的相分布圖

因此，當分流器入口干度為0.20時，流型均勻?qū)ΨQ，整體不均勻度最小，分流效果最優(yōu)。

4 結(jié)論

以一種分流效果理想的新型整流噴嘴式分流器為研究對象，采用CFD數(shù)值模擬其相分布情況和氣液兩相分離程度，優(yōu)化該分流器在各個入口工況下的最佳參數(shù)，實現(xiàn)環(huán)狀流均勻分液。結(jié)果表明：整流噴嘴式分流器經(jīng)旋流葉片和整流器的混合和整流后，氣液兩相制冷劑到達噴嘴時流型基本對稱穩(wěn)定，達到了均勻分流的目的。在各種不同的入口工況下，最大不均勻度均<2%，分流效果良好。當制冷劑入口流速為 0.25～1.00 m/s時，逐漸形成均勻的環(huán)狀流，分流器整體不均勻度逐漸減小至最小值0.632%，其中入口流速為1.00 m/s 的效果最佳；當入口流速為1.50～6.00 m/s時，流型開始紊亂，不均勻度逐漸增大；當入口流速為8.00 m/s時，迭代發(fā)散，流型徹底紊亂。當入口干度為0.05～0.20時，流型趨于穩(wěn)定，顯現(xiàn)出均勻的環(huán)狀流，分流器整體不均勻度逐漸減小至最小值0.375%；當入口干度為0.20～0.50時，不均勻度逐漸增大，因此該分流器的最佳入口干度為0.20，此時分流最均勻。采用CFD數(shù)值模擬分流器內(nèi)部相分布情況和氣液兩相分離程度時，假設較為理想的情況，只考慮分流器內(nèi)兩相流體的流動，不考慮相間的傳熱傳質(zhì)以及制冷劑與管壁間的換熱。但在實際系統(tǒng)運行中，傳熱傳質(zhì)對制冷劑分流也存在一定影響，因此后續(xù)的模擬研究可考慮在計算的同時開啟能量方程，分析溫度對均勻分流的影響，使模擬研究更好地應用于實際工程。