基于ANSYS Fluent 的空調電子膨脹閥仿真分析與研究

浙江盾安人工環境股份有限公司 張克鵬

一、引言

電子膨脹閥是一種可按預設程序進入制冷裝置的制冷劑流量的節流元件。在一些負荷變化劇烈或運行工況范圍較寬的場合，傳統的節流元件（如毛細管、熱力膨脹閥等）已不能滿足舒適性及節能方面的要求，電子膨脹閥結合壓縮機變容量技術已得到越來越廣泛的應用。

電子膨脹閥的優點：流量控制范圍大、反應靈敏、動作迅速、調節精細、動作穩定、可以使制冷劑往、返兩個方向流動，彌補了毛細管和熱力膨脹閥不能調節的缺點等，是空調系統中一種高檔的降壓節流元件。

由于電子膨脹閥屬于精密件，其閥體內制冷劑的流動情況一定程度上影響整個空調系統的制冷效果，閥體內制冷劑流動越均勻，流動越穩定，制冷效率越高。本文利用流體力學仿真的方法對空調電子膨脹閥進行CFD 分析，根據分析結果判定設計方案的合理性，并以此為基礎在后續膨脹閥設計上進行結構改進。

二、流體力學方程

計算流體力學是把描述空氣運動的連續介質數學模型離散成大型代數方程組，并在計算機上求解。通過微分方程的離散化和代數化，把偏微分方程轉化為代數方程，再通過適當的數值計算方法求解方程組，得到流場的數值解，然后通過不同的擬合方法把節點解擬合到網格的對應區域。

流體流動時所有介質滿足物理守恒定律：質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。在流體流動處于湍流狀態時，整個體系還要遵循湍流運輸方程。以上這些守恒定律的數學描述，統稱為控制方程。文中選用CFD 軟件中提供的Realizablek-ε湍流模型進行數值計算。

湍流控制方程為三維不可壓縮雷諾時均Navier-Stokes方程：

（1）質量守恒方程

（2）動量方程

（3）能量方程

其中div 為矢量符號，div(a)=?ax/?x+?ay/?y+?az/?z，grad 為梯度符號。

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；u為速度矢量，m/s；u、v、w 是速度矢量u 在x、y、z方向的分量；x、y、z為流體流動方向；p為流體微元體上的壓力，N；τ為粘性應力，Pa；Fx、Fy、Fz為x、y、z三個方向上微元體體力，N；T為溫度，K；k為流體換熱系數，W/㎡·K；cp為流體比熱容，J/(kg·K)；ST為流體內熱源和由粘性作用引起流體機械能轉變為熱能，J。

三、模型建立及邊界條件

1、三維模型建立

計算模型為某空調電子膨脹閥，采用SolidWorks 進行三維模型，圖1 為三維模型中心剖面圖，電子膨脹閥由針閥、磁體、及上下蓋等部件組成。針閥的開度大小靠回氣過熱度（通過回氣溫度和壓力檢測得到）控制，過熱度越大開度越大，過熱度越小開度也就越小。幾何模型生成后，為了建立流體仿真模型，需要將電子膨脹閥模型從SolidWorks 中導出為.STP 格式。

圖1 電子膨脹閥三維模型中心剖面圖

2、網格模型建立

圖2 電子膨脹閥網格模型

針對該電子膨脹閥，文章采用主流CFD 前處理軟件ICEM CFD 進行幾何清理和網格劃分，由于模型較為復雜，考慮實際的計算資源的限制，需要對膨脹閥三維CAD 模型進行簡化，去除對流動影響不是很大的倒角和間隙，確保模型完全封閉，然后提取流體計算域。電子膨脹閥的三維數模和流體計算域模型如圖2 所示。

由于流道形狀不規則，對流體計算域模型采用非結構四面體網格劃分方式，計算域網格數量約為100 萬。

圖3 電子膨脹閥網格質量

3、邊界條件的設定

由于制冷劑液體在節流過程中，流動比較復雜，這里暫不考慮相變，本文從流動和壓力角度進行仿真計算，考察結構設計的合理性。計算設置流動工質為液態的R410A制冷劑，粘性系數η=0.000107（kg/m.s）密度ρ=1.002×103(kg/m3)。具體設置如下：

(1)總體設置：流體為制冷劑R410A，不考慮能量轉化，僅作流場分析和壓力分析。計算軟件為大型CFD 商用軟件ANSYS Fluent，采用穩態計算，湍流模型選擇標準k-e模型，進出口邊界條件選擇壓力進口、壓力出口邊界條件。壓力速度耦合采用SIMPLE 算法，對流項離散格式采用二階迎風格式，各方程收斂標準均設置為10-5。

(2)進口邊界條件湍流定義方法為湍流強度+水力直徑，壓力進口設置為P=2.2MPa，湍流強度為5%，水力直徑為0.0061m。出口邊界條件湍流定義方法也為湍流強度+水力直徑，出口壓力為P=0.9MPa，湍流強度為5%，水力直徑為0.0061m。

四、CFD 計算結果分析

1、制冷工況

制冷工況下，制冷劑從A 側接管進入，從B 側接管流出，設定閥的開度為全開狀態。圖4、圖5 分別為制冷工況下，電子膨脹閥模型內部截面速度等值云圖和速度矢量圖。

圖4 制冷工況內部截面速度等值云圖 (速度/m/s)

圖5 制冷工況內部截面速度矢量圖 (速度/m/s)

從圖中可以看出：制冷工況為制冷劑從A 側彎管進入，從B 側直管流出，最大速度約41m/s，位于圖5 所示的針閥和閥口之間的區域，而在出口管進口左下側區域存在渦旋回流區。

圖6 制冷工況內部截面壓力等值云圖 (壓力/Pa)

對比圖4 和圖6 可以看出，電子膨脹閥內部的靜壓分布與速度分布相對應，即在速度高的區域靜壓較低，在速度低的區域靜壓較高，在針閥和閥口間隙區域壓力較低。

2、制熱工況

制熱工況下，制冷劑從B 側接管進入，從A 側接管流出，設定閥的開度為180 步。圖7、圖8 分別為制熱工況下，電子膨脹閥模型內部截面速度等值云圖和速度矢量圖。

圖7 制熱工況內部截面速度等值云圖 (速度/m/s)

圖8 制熱工況內部截面速度矢量圖 (速度/m/s)

從上圖電子膨脹閥模型內部截面速度等值云圖和矢量圖中可以看出：制熱工況為制冷劑從B 側直管進入，從A 側彎管流出，最大速度約114m/s，位于上圖所示的閥針和閥口偏上區域，整個區域不存在流動回流區域。

圖9 制熱工況內部截面壓力等值云圖 (壓力/Pa)

對比圖7 和圖9 可以看出，在制熱工況下，電子膨脹閥內部的靜壓分布與速度分布相對應，即在速度高的區域靜壓較低，在速度低的區域靜壓較高，在針閥和閥口間隙區域壓力較低。

五、結論及展望

利用計算流體力學仿真技術對制冷劑在空調電子膨脹閥內部的流動進行分析，發現在制冷工況下，出口管進口左下區域存在渦旋回流區。

在后續電子膨脹閥開發過程中，建議設計方案定型前，進行各工況充分的仿真分析驗證，有效避免設計缺陷，提高產品可靠性和使用性能。