掺汽超空化抑制节流喷射噪声研究进展

李湘文 张玙 汪谦旭 刘益才

1.中南大学资源与安全工程学院 湖南长沙 410083

2.中南大学能源科学与工程学院 湖南长沙 410083

1 引言

蒸汽压缩式制冷系统均需要采用不同的节流装置（图1）实现冷凝到蒸发的降温降压过程，而这个理论上等焓的过程伴随着制冷剂温度、压力和状态的急剧变化，其节流装置出口喷射区域为典型的两相区，存在大量的闪蒸气体（图2中点4，蒸发温度-23℃，干度0.37；点5，蒸发温度5℃，干度0.17），这就为空化空蚀的产生创造了必要条件（空化是由于液体内部局部区域压力先后经历降低和上升（恢复）过程而引发的汽化及液化现象，即节流装置出口局部区域压力低于对应温度的饱和蒸汽压力Pv）[1-4]，进而就会引发空化气泡和制冷剂闪蒸气泡相互作用，且存在空化泡溃灭噪声等不利因素；这些溃灭的噪声就成为了冰箱空调变工况下突发噪声的主要来源，而突发噪声严重影响人民的日常生活和工作，对其进行系统研究和噪声抑制就成为科研和工程技术人员的研究重点。

目前采取的解决方案是改变出口结构形状（图3），进而降低出口流速[5-10]；而促使节流装置出口汽液混合物局部压力流速降低的方式包括来自于外部射入的声波动（超声空化（Ultrasonic cavitation），或者声学空化（Acoustic cavitation）），也可以来自于液体本身的高速流动（节流）所产生的水力空化（Hydraulic cavitation），制冷节流装置出口就属于典型的水力空化和蒸汽空化（Vaporous cavitation）[11]；空化噪声与空化激发的振动是两种最为普通的空化影响。空化过程是不恒定的，并可能包含强烈的脉动力，进而发生系统共振，导致强烈的振动及流动突发噪声，这些噪声与流动状态直接相关。强化传热、水质净化、生化工程、食品处理、海水淡化等均可以利用超空化改变空泡形态，进而使空化得以正面利用[12]。而超空化气膜（图4）（Super cavitation）极大地降低了物体与气液混合之间的相对运动阻力[13-15]，提高了流动与气液混合物流型的稳定性，使得液体回流无法形成滞点，同时气膜的存在也减少了空化腐蚀的程度[16]，以上研究表明超空化流动状态[17]可显著抑制空化泡溃灭噪声。因此，明确超空化发展历程，对下一步研究利用超空化原理抑制制冷系统喷射噪声具有很重要的理论和现实意义。

图1 节流装置主要类型

图3 毛细管出口连接形式

2 制冷系统两相流型与超空化降噪

制冷系统两相流场在管道内某特定位置，干度x及空泡系数α随时间是不规律变化波动，正是因为这种波动的不稳定性，导致了制冷剂流动产生了不规则噪声[11-18]；文献[11-12]的实验研究表明节流出口不规则噪声与流型有着强烈的关系，当流型是环状流或泡状流时，局部壁面内干度及空泡份额几乎不随时间变化，因而压降的时间梯度非常小，由此产生的噪声较小且基本恒定；当管内流型是弹状流或乳沫状流时噪声显著增加，乳沫状流是最嘈杂的；超空化气模的形态就可以直接改变局部两相流流型，且可以通过改善流道内绕流结构和直接使用人工通气等方式实现，形成人造超空化，这样就可以在制冷系统节流出口两相流中构建成低噪声的环泡状流[1,18-20]。

3 掺气（汽）降噪技术研究现状

图4 通气空泡变化率形态

水下航行体利用超空化技术可以提高其水下航行的速度[13]，推动了人工通气（掺汽）构建超空泡技术的发展，明尼苏达大学Saint Anthony Falls实验室得到的不同空泡形态结构的演变[21]及其示意图（图5）；数值模拟方面，Senocak[22]对超空泡流场特性进行了数值模拟，其他国内外许多学者对绕回转体通气空化流动进行了较多研究，但是对于掺汽空化与制冷系统节流喷射区域空泡动力学与常规空泡动力学方面的差异性研究还没有引起重视。

空蚀所引起的群空泡溃灭进而产生的微射流和激波现象是空化爆裂噪声的主要来源，水力空化空泡群来自于液体回流剪切引起的云状空化脱落，而合适的掺汽可以改变空化空泡流型和空化数[1]，使其形成超空化现象，就可以有效降低爆裂噪声，达到节流装置降噪的目标。

美国学者Peterka[23]较早进行掺气减蚀研究，发现掺气7%时管道中的空蚀爆裂噪声基本消失；随后大量学者[17-20]进行了不同介质、不同掺气量、不同流动状态的试验，均表明掺气提高了掺气区局部压力、有效减小空化数、显著降低空泡溃灭时的压力、大大降低空蚀噪声；文献[24]研究了通气空化多相流特性，表明不同空化数、不同通气率情况下流动形态的特征，表明高频噪声量降低的原因是下游压力的降低以及闪蒸的进一步发生；以及通气量对空泡生成的影响大于对空泡溃灭的影响。Van Wijingaarden[25]等研究表明含有大量空化气泡的液体，声速急剧下降，掺入的外部气体吸收能量，屏蔽了内部溃灭气泡，进一步削弱噪声辐射。

4 总结与展望

上述研究表明超空化结构的应用表现出了优异的声学性能，这就为其应用于制冷装置节流部件开辟了良好的前景，因此我们认为其研究重点和发展方向主要有：

（1）超空化空泡动力学构建模型适应性研究。节流管（节流阀）超空化模型将考虑液相与气相之间相变、气泡动力学、湍流扰动及不凝性液核（润滑油沫）影响、进出口压差等因素，并采用喷孔内空化指数对得到的相变速率方程进行修正，以适用于节流孔出口超空化气泡与制冷剂闪蒸空泡相互作用的数值模拟分析。

（2）掺汽超空化空泡与制冷剂闪蒸空泡转换和输运特性研究。迄今为止，人们只对空泡与空泡之间相互作用进行过研究，也基于PLK（Poincare-Lighthill-Kuo）摄动方法建立空泡与掺气泡相互作用的耦合方程组模型[1]，但对超空化空泡与制冷剂闪蒸空泡之间的耦合关系未见文献报道；因此，基于数值模拟方程组，对不同掺汽空泡数与闪蒸空泡不同组合方式、不同掺汽量、不同掺汽结构的多样化超空化发生器进行数值模拟，初步探讨超空化结构对空化效果的影响就尤为必要。

（3）基于掺汽超空化制冷喷射噪声抑制结构优化设计。制冷节流装置是制冷系统的重要组成部分，且节流装置两端存在很大的温度梯度（冰箱节流进出口温差65℃左右，空调设备35℃左右）和压差，这为喷射噪声能量转换创造了必要条件，因此采用一定的超空化结构在节流装置出口区域形成稳定的环状泡沫流（制冷剂和冷冻油是互溶的），可提高整个系统的可靠性，降低并抑制不可控的流动空化噪声。

综上所述，针对目前节流装置出口多种声波脉动不稳定性、喷射噪声能量转换、不同运行条件（宽温度频率范围）下的超空化空泡与制冷剂闪蒸空泡流动特性，对其所涉及到的科学问题进行深入研究是非常必要的。

图5 不同空泡形态结构的演变[21]及其示意图（图中：（a）初生(气态)空化（b）云状空化（c）超空化）