基于流动控制的制冷系统制冷剂喷发音降噪技术研究

付志明

摘要：随着我国经济的快速发展，人们对居住环境的要求越来越高，室内噪声污染也越来越受到人们的重视。冰箱、空调、冰箱等制冷设备在提供人类生活的便利的同时，其工作过程中产生的机械噪声、电磁噪声、流体噪声等已成为用户关注的焦点。对制冷设备的噪音投诉数据表明，制冷剂的流动噪声占到了30%，如何有效地抑制制冷剂的流动噪声已成为当前制冷领域亟需解决的难题。

关键词：毛细管；涡流发生器；层流发生器；降噪技术

1冰箱制冷系统流动控制方案设计

冷冻机是一种利用致冷剂将低温物品的热能传递给较高温度的物品，使物品处于低温状态并保持较低的温度。主要包括：压缩机，冷凝器，毛细管，蒸发器等.压缩机工作时，将致冷剂压缩为高温、压力较大的过热蒸汽，并通过排气管排放到冷凝器中。冷凝器将致冷剂的热释放到环境空气中，从而使致冷剂从高温、高压状态下凝结成常温、高压的液态。液体致冷剂通过毛细管节流、减压，成为低温、低压的致冷剂进入蒸发器。在蒸发器中，制冷剂以较低的温度、较低的温度和压力，将制冷介质中的热能转化为饱和气体，实现吸热式制冷。低温、低压制冷剂蒸汽通过压缩机吸气管流入压缩机，在压缩机中进行压缩，使其变为高温、高压的过热蒸汽，从而开启新一轮的循环。在制冷系统中，由于蒸发器进口段和毛细出水管直径相差很大，所以在冷却过程中，制冷剂会产生很大的噪音，所以有必要设计相应的减速降噪结构。多级渐开管是一种常用的连接方式，它是将多个管径不等的管道按一定顺序连接在一起，使其进口和出口分别接在毛细管上、在出口端接在蒸发器上，从而实现逐级减速。但是，现阶段，多级渐扩管一级管道内径2.0毫米，毛细管内径0.6毫米，一级管道从毛细到多级渐扩管一级，体积增大了9倍，导致流动分离、旋涡脱落等严重影响了其降噪性能。

2数值仿真

本项目拟利用CFD与CAA耦合数值模拟方法，对四阶渐扩管、涡产生器、层流发生器等三类典型结构的流场与声场特性进行深入研究。在流动模拟方面，我们将采用k-e紊流模型和稳态求解器，得到初始稳态场；然后，在稳态初场的基础上，利用大涡模拟的方法，对瞬态流动进行数值模拟，得到各时刻的静压、密度、流速等参数。在声场计算中，利用Lighthill Volume模型对瞬态流动场进行分析，将时域声源项转换成频率域声源项，并将其转换成声场源激励。在数值模拟中，瞬态流动对声场的求解精度有很大的限制，而瞬态流动的时间步由声场计算的取样频率决定，即奈奎斯特抽样规律：最大可恢复声场的最大频率是取样频率的二分之一。将瞬态过程中的步长与时间步的乘积相结合，得到了声场计算中的频率间隔。声场网格大小由声束的波长决定，必须确保每一个波元数不少于6格。为了准确地从流场计算结果中得到准确的内插数值，需要使流场网格大小与声场网格的1/3相等。在数值模拟中，选取20kHz的最大声场频率，将其作为最大频率的2倍，以确保高频场的精确计算精度，所以，瞬态场的时间步设为2.5E-5秒，暂态程序步设400步，声场频距100Hz，流场与声场的最大网格尺寸为0.6毫米，声场的最大网格尺寸为2毫米。在此基础上，采用数值模拟方法，对毛细和一级管道等局部较小的区域采用网格加密技术，使数值模拟更加准确。

3结果分析

3.1层流发生器流场分析

图1是采用标准四级渐扩管道的层流发生装置的流速和流线曲线。图1a）通过对四段渐扩管的流速和流线分布进行归一化，可以看出，冷却介质是从毛细管中喷射出来的，是一种高速的射流；当高速液体到达第四级渐扩管的二级时，因流场的急剧膨胀，导致了附面层的分离和破碎，导致了大量的流体群的生成、发展和脱落，导致了强烈的湍流。图1B是层流产生器内的流速和流线分布，冷却剂从毛细喷射到层流发生器，在层层降低冷却后，仍然是一种稳定的流动形态，其流线也是均匀的，没有显著的旋涡产生和旋涡脱落。图5是四级渐扩管、渐扩渐扩管以及层流产生器轴线上的流场，通过分析可以看出，在四级渐扩管进口处，致冷剂在渐扩管进口处呈高速喷射，在距出口0.08米处急剧降低，从300米/秒降到10米/秒左右，此后各个阶段的内流场都保持很低的速度，所以现在所使用的标准化四级渐扩管尺寸设计很难实现分级减速的合理目标。层流发生装置通过调整各级管道管径比，在管道轴向形成5种明显的阶梯分布，即从250m/s到150m/s，从150m/s下降到75m/s，然后从75m/s下降到40m/s，最终下降到很低的位置，表现出很好的控制效果。在此基础上，通过对四级渐扩管与层流产生器内的速度与流线分布的分析，提出了一种基于分层流动的分层流动结构，并通过对其进行分级调节，以达到对湍流旋涡的抑制。

图1速度及流线图

3.2涡流发生器流场分析

图2是由涡产生器产生的流场和流线图，可以看出，在毛细管中，冷却剂在经过涡产生器时，会形成一个较小的、较高频率的涡系，且具有较快的紊动特性。图2b是涡产生器的流线分布图，它有一个很小的起伏，有许多湍流漩涡。通过与图1a）的比较，可使流场中的流线脉动幅度变小，涡结构尺寸明显缩小，进而使大尺度的低频涡破碎为高频的小尺度涡旋，进而控制射流流动中的旋涡结构，进而达到控制工质喷射噪声的目的。

图2涡流发生器速度分布及流线图

3.3声场数值仿真

在此基础上，利用Lighthill Volume声学相似公式，从瞬态流动中分离出声源，转化为频率域声源，开展辐射声场计算。图3是三种不同的声压测量点的数值模拟比较，每个测点的声压测量点都设在蒸发器进口处。研究表明，该标准四级渐扩管在850赫兹、2000赫兹和3250赫兹处出现了最大的噪音水平，其噪声水平为51.7分贝，38.8分贝，52分贝，0-6400Hz的全频带噪音水平为73.8dB。从涡激发电机的频谱曲线可以看出，在0-6400Hz范围内，涡激源的多个噪声级都得到了明显的减小，达到了0-6400Hz全频带范围内的噪声级达到了66.8dB。层流发生器模拟实验表明，在1000Hz下，在0-6400Hz、0-6400Hz范围内，其噪声水平分别为62.5dB和4.3dB。

图3监测点声压级对比

结语

本项目拟针对制冷系统中的致冷剂喷射发声噪声问题开展深入研究，提出一种基于流动调控的致冷剂喷射发声噪声抑制方法，通过设计新型的层流发生器及涡产生器，开展流场与声场的数值模拟，揭示其抑噪机理。数值模拟与试验研究表明，通过调节管道的渐扩率，使其在较短的时间内达到较高的层流速度，从而有效地抑制了旋涡的脱落，减小了喷射噪声。涡产生器能够将低频大尺度涡系结构分解成高频的、小尺度的涡系结构，达到对噪声谱的调控，并在可闻频段内减小噪音水平的目的。文中所介绍的流量控制方法，对制冷系统中制冷剂喷射发声和降低噪声具有一定的参考价值。

参考文献

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