某空调用截止阀流通性能分析与试验研究
时间：2023-02-26 20:05:06 来源：千叶帆 本文已影响人
陈狄永,刘 俊，周 峰,陈永杰,熊匀均，张克鹏
(1.浙江盾安人工环境股份有限公司，浙江 杭州 310052；
2.浙江大学 能源工程学院，浙江 杭州 310027)
空调系统中的截止阀通常被用来控制系统中制冷剂的流向、流量、压力等性能参数，是空调系统中必不可少的组成部分。
在截止阀设计过程中，流量系数Kv值是衡量该截止阀流通性能的重要参数，流量系数越大，则表示同规格产品的流通性能越好，制冷剂在经过截止阀时能耗越小。GB/T 30832—2014《阀门 流量系数和流阻系数试验方法》对流量系数Kv定义为：5 ℃～40 ℃温度范围的水流经阀门，两端压差为100 kPa时，以m3/h计的流量数值[1]。JB/T 10648—2017《空调用铜制制冷剂截止阀》标准中对空调用截止阀的流通能力也有定义，且对不同公称通径的截止阀流通能力做了要求[2]。
近年来随着仿真技术在空调制冷配件领域的应用，给产品设计和性能优化带来很多便利。尤其是计算流体力学和传热学理论的日益发展，以及计算机运算能力和图形处理能力的提升，仿真可以在截止阀概念设计阶段、详细设计阶段、样机试验阶段和产品测试评估阶段全程发挥作用[3]。利用仿真技术可以进行截止阀的流场分析，优化设计结构，减小样品制作和试验次数，从而缩短开发周期[4-6]。
1.1 几何模型建立
本文研究对象为某空调用截止阀的流通性能，由于空调用截止阀结构紧凑，阀芯处的结构尺寸更是达到微观尺度，因此模型的准确性非常必要。根据工程图纸及设计规范，利用功能强大的行业三维设计软件SolidWorks进行几何三维数据建模，如图1所示。研究内容为该空调用截止阀内部的介质流动，暂不考虑部件与环境之间的换热，因此在几何简化的过程中，需要清除包括螺栓孔、阀体等固体区域，通过布尔运算提取和工质流动接触部分的表面即可。
1.2 网格模型建立
利用仿真模型前处理软件HyperMesh进行几何清理和计算域的提取，网格尺寸的设定主要考虑模型最小特征尺寸，在最小特征几何处一般至少需要3层网格，因此要对阀芯位置等几何特征较小的地方进行加密，避免几何失真，保证精度，提高计算的准确性。HyperMesh中最终的模型表面网格总数约35 344，计算域如图2所示，表面网格模型阀芯处局部放大图如图3所示。
将表面网格模型导入HyperWorks CFD模块下进行模型体网格的设定和划分，网格总数为617 860，网格节点数为143 423 。对体网格模型进行切面处理，查看内部网格模型，局部区域界面图如图4所示。
1.3 边界条件设置
为了与试验结果进行对比，使得边界条件的设置与实际测试工况一致，测试工况参照国标GB/T 30832—2014《阀门 流量系数和流阻系数试验方法》，流动方向为制冷工况下工质流动方向，具体边界设置如下：流动工质为水，水温保持在15 ℃，入流均匀，工作状态下，流体域进口指定压力边界条件，由于进出口管径相同，指定进出口边界压力统一为静压，设定压力值为100 kPa；
流体域出口指定压力边界条件，静压为0 Pa。同时需要对边界条件做一些简化设定：
(1) 不考虑换热对流动的影响，包括辐射换热、对流换热等。
(2) 流动过程中压力和速度较低，认为工质水为不可压缩流体。
(3) 进出口压力恒定。
图1 截止阀三维CAD模型 图2 某空调用截止阀流动计算域 图3 表面网格模型阀芯处局部放大图
HyperWorks CFD的湍流模型较为丰富，主要有以下几种：①Spalart-Allmaras模型;②SST模型;③Realizable K-Epsilon模型;④Standard K-Epsilon模型;⑤RNG K-Epsilon模型;⑥K-Omega模型。
图4 体网格局部截面图
本文中该截止阀属于直角型截止阀，截止阀管道流向旋转90°，在工质流动过程中存在流体转弯，由此可能产生旋流。而RNG K-Epsilon模型在工程中应用较为广泛，比较适合计算旋流和弯曲壁面的流动，因此分析过程中湍流模型采用RNG K-Epsilon模型，计算边界的设置如图5所示。
图6和图7分别为截止阀模型X中心截面的压力云图和速度云图。
从图6可以看出：流动介质从截止阀接管入口进入截止阀后，在阀芯处由于流体受到正面阻力，流动介质直接冲击该处位置，导致这个地方的压力最大；
流体在阀芯处发生90°转弯，在阀芯向出口接管方向流动过程中，有部分流动滞止区发生能量转化。从图7中也可以看出：在阀芯处流体直接冲击该处，导致该位置的速度较低，当流体发生流动转向后，发生局部流动分离，出口接管上部的流体流速较大，而下部区域存在局部流动死区，流速较低。
图5 边界条件示意图 图6 X中心截面压力云图(Pa) 图7 X中心截面速度云图(m/s)
本文重点研究空调用截止阀的流通性能，而HyperWorks CFD的后处理不能直接输出截止阀流通性能指标流量系数Kv值，只能输出流量，流量与Kv值的换算关系式如下：
Kv=0.865QρΔp.
其中：Q为流量；
ρ为截止阀内流体密度；
Δp为截止阀进出口压差。
利用流量与Kv值的换算关系式进行换算，得到仿真流量系数为0.601 m3/h。表1为截止阀流量系数仿真结果与试验结果的对比情况，其中试验数据为同一种产品规格重复测试10次。
从表1可以看出：截止阀流量系数10次试验数值和仿真结果的最大误差为4.33%，最小误差仅为0.67%，全部低于工程常用5%误差以下的考察标准。利用趋势曲线图可以更加直观地看到仿真和试验对比的吻合程度，如图8所示。
表1 流量系数仿真与试验对比
以上验证了仿真模型和方法的准确性和有效性，证明可以利用CFD仿真方法进行截止阀结构流通能力的验证，后续产品设计过程中可以快速对设计方案进行流通能力评估，以及产品结构的优化和验证。
图8 流量系数仿真与试验对比趋势图
(1) 利用CFD仿真技术对空调用截止阀流通性能进行仿真计算，并对截止阀产品的计算结果与试验结果进行对比。
(2) 根据分析和试验结果，可知仿真模型的准确性，证明利用CFD仿真技术可以对截止阀流通性能进行分析，利用该方法可进行截止阀产品流通性能的设计和优化，对产品开发具有很好的参考价值。
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