摻汽超空化抑制節流噴射噪聲研究進展

李湘文 張玙 汪謙旭 劉益才

1.中南大學資源與安全工程學院 湖南長沙 410083

2.中南大學能源科學與工程學院 湖南長沙 410083

1 引言

蒸汽壓縮式制冷系統均需要采用不同的節流裝置（圖1）實現冷凝到蒸發的降溫降壓過程，而這個理論上等焓的過程伴隨著制冷劑溫度、壓力和狀態的急劇變化，其節流裝置出口噴射區域為典型的兩相區，存在大量的閃蒸氣體（圖2中點4，蒸發溫度-23℃，干度0.37；點5，蒸發溫度5℃，干度0.17），這就為空化空蝕的產生創造了必要條件（空化是由于液體內部局部區域壓力先后經歷降低和上升（恢復）過程而引發的汽化及液化現象，即節流裝置出口局部區域壓力低于對應溫度的飽和蒸汽壓力Pv）[1-4]，進而就會引發空化氣泡和制冷劑閃蒸氣泡相互作用，且存在空化泡潰滅噪聲等不利因素；這些潰滅的噪聲就成為了冰箱空調變工況下突發噪聲的主要來源，而突發噪聲嚴重影響人民的日常生活和工作，對其進行系統研究和噪聲抑制就成為科研和工程技術人員的研究重點。

目前采取的解決方案是改變出口結構形狀（圖3），進而降低出口流速[5-10]；而促使節流裝置出口汽液混合物局部壓力流速降低的方式包括來自于外部射入的聲波動（超聲空化（Ultrasonic cavitation），或者聲學空化（Acoustic cavitation）），也可以來自于液體本身的高速流動（節流）所產生的水力空化（Hydraulic cavitation），制冷節流裝置出口就屬于典型的水力空化和蒸汽空化（Vaporous cavitation）[11]；空化噪聲與空化激發的振動是兩種最為普通的空化影響。空化過程是不恒定的，并可能包含強烈的脈動力，進而發生系統共振，導致強烈的振動及流動突發噪聲，這些噪聲與流動狀態直接相關。強化傳熱、水質凈化、生化工程、食品處理、海水淡化等均可以利用超空化改變空泡形態，進而使空化得以正面利用[12]。而超空化氣膜（圖4）（Super cavitation）極大地降低了物體與氣液混合之間的相對運動阻力[13-15]，提高了流動與氣液混合物流型的穩定性，使得液體回流無法形成滯點，同時氣膜的存在也減少了空化腐蝕的程度[16]，以上研究表明超空化流動狀態[17]可顯著抑制空化泡潰滅噪聲。因此，明確超空化發展歷程，對下一步研究利用超空化原理抑制制冷系統噴射噪聲具有很重要的理論和現實意義。

圖1 節流裝置主要類型

圖3 毛細管出口連接形式

2 制冷系統兩相流型與超空化降噪

制冷系統兩相流場在管道內某特定位置，干度x及空泡系數α隨時間是不規律變化波動，正是因為這種波動的不穩定性，導致了制冷劑流動產生了不規則噪聲[11-18]；文獻[11-12]的實驗研究表明節流出口不規則噪聲與流型有著強烈的關系，當流型是環狀流或泡狀流時，局部壁面內干度及空泡份額幾乎不隨時間變化，因而壓降的時間梯度非常小，由此產生的噪聲較小且基本恒定；當管內流型是彈狀流或乳沫狀流時噪聲顯著增加，乳沫狀流是最嘈雜的；超空化氣模的形態就可以直接改變局部兩相流流型，且可以通過改善流道內繞流結構和直接使用人工通氣等方式實現，形成人造超空化，這樣就可以在制冷系統節流出口兩相流中構建成低噪聲的環泡狀流[1,18-20]。

3 摻氣（汽）降噪技術研究現狀

圖4 通氣空泡變化率形態

水下航行體利用超空化技術可以提高其水下航行的速度[13]，推動了人工通氣（摻汽）構建超空泡技術的發展，明尼蘇達大學Saint Anthony Falls實驗室得到的不同空泡形態結構的演變[21]及其示意圖（圖5）；數值模擬方面，Senocak[22]對超空泡流場特性進行了數值模擬，其他國內外許多學者對繞回轉體通氣空化流動進行了較多研究，但是對于摻汽空化與制冷系統節流噴射區域空泡動力學與常規空泡動力學方面的差異性研究還沒有引起重視。

空蝕所引起的群空泡潰滅進而產生的微射流和激波現象是空化爆裂噪聲的主要來源，水力空化空泡群來自于液體回流剪切引起的云狀空化脫落，而合適的摻汽可以改變空化空泡流型和空化數[1]，使其形成超空化現象，就可以有效降低爆裂噪聲，達到節流裝置降噪的目標。

美國學者Peterka[23]較早進行摻氣減蝕研究，發現摻氣7%時管道中的空蝕爆裂噪聲基本消失；隨后大量學者[17-20]進行了不同介質、不同摻氣量、不同流動狀態的試驗，均表明摻氣提高了摻氣區局部壓力、有效減小空化數、顯著降低空泡潰滅時的壓力、大大降低空蝕噪聲；文獻[24]研究了通氣空化多相流特性，表明不同空化數、不同通氣率情況下流動形態的特征，表明高頻噪聲量降低的原因是下游壓力的降低以及閃蒸的進一步發生；以及通氣量對空泡生成的影響大于對空泡潰滅的影響。Van Wijingaarden[25]等研究表明含有大量空化氣泡的液體，聲速急劇下降，摻入的外部氣體吸收能量，屏蔽了內部潰滅氣泡，進一步削弱噪聲輻射。

4 總結與展望

上述研究表明超空化結構的應用表現出了優異的聲學性能，這就為其應用于制冷裝置節流部件開辟了良好的前景，因此我們認為其研究重點和發展方向主要有：

（1）超空化空泡動力學構建模型適應性研究。節流管（節流閥）超空化模型將考慮液相與氣相之間相變、氣泡動力學、湍流擾動及不凝性液核（潤滑油沫）影響、進出口壓差等因素，并采用噴孔內空化指數對得到的相變速率方程進行修正，以適用于節流孔出口超空化氣泡與制冷劑閃蒸空泡相互作用的數值模擬分析。

（2）摻汽超空化空泡與制冷劑閃蒸空泡轉換和輸運特性研究。迄今為止，人們只對空泡與空泡之間相互作用進行過研究，也基于PLK（Poincare-Lighthill-Kuo）攝動方法建立空泡與摻氣泡相互作用的耦合方程組模型[1]，但對超空化空泡與制冷劑閃蒸空泡之間的耦合關系未見文獻報道；因此，基于數值模擬方程組，對不同摻汽空泡數與閃蒸空泡不同組合方式、不同摻汽量、不同摻汽結構的多樣化超空化發生器進行數值模擬，初步探討超空化結構對空化效果的影響就尤為必要。

（3）基于摻汽超空化制冷噴射噪聲抑制結構優化設計。制冷節流裝置是制冷系統的重要組成部分，且節流裝置兩端存在很大的溫度梯度（冰箱節流進出口溫差65℃左右，空調設備35℃左右）和壓差，這為噴射噪聲能量轉換創造了必要條件，因此采用一定的超空化結構在節流裝置出口區域形成穩定的環狀泡沫流（制冷劑和冷凍油是互溶的），可提高整個系統的可靠性，降低并抑制不可控的流動空化噪聲。

綜上所述，針對目前節流裝置出口多種聲波脈動不穩定性、噴射噪聲能量轉換、不同運行條件（寬溫度頻率范圍）下的超空化空泡與制冷劑閃蒸空泡流動特性，對其所涉及到的科學問題進行深入研究是非常必要的。

圖5 不同空泡形態結構的演變[21]及其示意圖（圖中：（a）初生(氣態)空化（b）云狀空化（c）超空化）