新型整流噴嘴式分流器最佳入口工況數值模擬

孫 歡 雷卓婭 滕信波 朱俊達

(天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室，天津 300134)

制冷設備中，蒸發器管路內的制冷劑能否實現均勻分配，對蒸發器的換熱性能起著關鍵作用。制冷劑經膨脹閥后，流態為兩相流，為了盡可能實現制冷劑的均勻分配，輔助元件分流器至關重要[1-3]。系統的支路供液過量容易造成回氣帶液，節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，系統性能惡化[4-5]。徐博等[6]在多種干度和質量流量條件下，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，分別開發了一種新型錐形分流器和一種頂部帶有旋流葉片結構的泡罩型分流器。翁曉敏等[9]通過CFD模擬，提出了6種新型插孔式分流器結構。Fan等[10]設計了7個不同結構的分流器，并通過CFD模擬研究其流量分配性能和能量耗散。Pu等[11]根據分流器進氣管的特點，提出了一種新的進氣管結構優化策略。李登穩等[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氣液兩相流體的流動。Wu等[14]提出了基于簡單結構構建環形流實現均勻分液的分流器，其分配性能優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，目前對通過數值模擬詳細分析分流器內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構的優化上，而對通過選取最佳入口工況形成對稱流型—環形流來改善分配均勻性的研究較少。因此，文章擬構建新型分流器整流噴嘴式分流器的物理模型，采用CFD數值模擬其內部相分布情況和氣液兩相分離程度；基于模擬結果，期待找出該分流器實現環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階段經過擾動和整流后流型趨于對稱穩定，到達噴嘴時，基本實現氣液均勻分配。

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 網格劃分

采用ICEM CFD 16.0劃分網格，考慮到網格的質量直接影響數值計算結果，分流器整體結構復雜，因此進行分塊劃分網格。由于流體經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格劃分采用非結構化網格，而其他部分均采用結構化網格劃分。經網格獨立性檢驗，最終選定計算模型的網格數2 274 129，網格質量0.7，分流器的網格劃分如圖4～圖6所示。

圖4 分流器整體網格示意圖

圖5 旋流葉片的網格劃分

圖6 結構化網格劃分

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

(1) 體積分數:

(1)

(2) 連續性方程:

(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、應力產生項、浮力產生項、壓力應變項、耗散項和系統旋轉產生項。

2 計算方法與邊界條件

2.1 計算方法

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

(2) 模擬流體以湍流形式流動，只考慮分流器內兩相流體的流動，不考慮相間的傳熱傳質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，壁面函數為Standard Wall Function。

(3) 模型采用非穩態數值計算，模型各物理量參數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，其物性參數通過Refprop 9.0查詢，主要模擬分流器內部的相分布，考慮到分流器內部的壓降較小，主要壓降在分流管，選用蒸發溫度為-25 ℃時的物性參數，如表1所示。

表1 R22物性參數

2.3 模型驗證

利用Han等[21]的試驗數據驗證數值模型的正確性。為保證模型驗證的可靠性，驗證設置的模擬工況、工質與Han等的試驗工況、工質一致，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入口流量的比值；不均勻度研究分流器整體分流的均勻程度，數值越小，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——支路數量。

3.2 入口流速對分配均勻性的影響

袁培等[25]發現，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%，基本能實現均勻分液。董續君等[26]研究表明，隨著質量流量的增大，偏差率變小。Lee等[27-28]發現突出的通道末端具有較高的混合效應。通過適當調整支管侵入深度，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生強烈的局部再循環，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。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，中間的制冷劑相態主要為氣相，兩側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定，從而確保接觸氣液兩相的幾率相同，實現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，形成均勻穩定的環狀流，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，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，該規律也會有所差異[29]。此外，空泡系數[30-31]是區分兩相流和單相流以及評價兩相流動介質狀態的重要參數。兩相流介質的入口干度與其密切相關，對兩相流流型和制冷劑的均勻分配影響關鍵。Byun等[32]研究發現，一定范圍內，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，隨著入口干度的增加可以減少因重力對兩相分離而產生的影響。Tandon等[34]提出了一種空泡系數模型為了兩相環狀流，Todd等[35]也提出了一種空泡系數模型為了水平管內的環形流動，其考慮了動量渦擴散系數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%，出現了分液不均現象。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定，在旋流葉片的旋轉混合下，液相沿管壁方向運動，氣相不斷集中在中路，顯現出均勻的環狀流。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，流型均勻對稱，整體不均勻度最小，分流效果最優。

4 結論

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數值模擬其相分布情況和氣液兩相分離程度，優化該分流器在各個入口工況下的最佳參數，實現環狀流均勻分液。結果表明：整流噴嘴式分流器經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，迭代發散，流型徹底紊亂。當入口干度為0.05～0.20時，流型趨于穩定，顯現出均勻的環狀流，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數值模擬分流器內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，只考慮分流器內兩相流體的流動，不考慮相間的傳熱傳質以及制冷劑與管壁間的換熱。但在實際系統運行中，傳熱傳質對制冷劑分流也存在一定影響，因此后續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。