电子膨胀阀是空调器中常用的节流元件，本研究以某厂家电子膨胀阀为研究对象进行研究。图1所示是电子膨胀阀的模型示意图。图1组成部分主要有出口水平管、入口水平管、锥形阀针、阀腔、入流扩口、入流垂直管段、入流弯管段。当流体从入口管段流入时，按照需要的制冷能力对阀门开度进行调节。

当所需制冷能力不同时，可以按照需求对阀芯上升高度进行调节。本文以阀芯上升高度以及脉冲数对阀芯上升高度进行描述，其上升高度与脉冲数的对应关系如（1）所示：

式中L是阀芯上升高度，mm；S是阀门脉冲数。

本研究所用的电子膨胀阀常用于家用空调器，在进行节流原件安装过程中，由于厂家产品以及用户的需求不同，电子膨胀阀的安装方式也不同。常用电子膨胀阀以正向安装为主，但在某些产品中为了考虑制冷效果以及安装成本，常常将阀门进行反向安装。本文以制冷工况下的电子膨胀阀进行研究，在100~150脉冲下每隔10脉冲进行反向建模，根据表1阀芯上升高度与对应脉冲数的关系得到图2计算流体域。

由于在实验过程中，电子膨胀阀进出口的管径与测试台并不匹配，因此会有一小段变径的管段。再者为了节省安装空间，通常在下游出口会有一段弯管以改变流向。图3所示为本次实验过程中的电子膨胀阀安装示意图，根据管径、变径长度等参数对计算流体域进行改进，最终计算流体域如图4所示。

在用CFD（Computational Fluid Dynamics）对流体进行计算时，首先要考虑流体质量、动量、能量守恒方程。由于制冷剂在流经电子膨胀阀是会发生相变，因此要考虑多相流问题。在流体流经阀门喉部时，由于节流作用会产生流动的不稳定，因此还要考虑他的湍流流动问题。本研究拟采用Realizable k-ε湍流模型、Zwart-Gerber-Belamri空化模型和VOF多相流模型进行计算。为了计算制冷剂在流动过程中产生的噪声，使用Broadband Noise Sources噪声模型。

质量守恒^[11]：

式中u、v、w分别为x、y、z三个方向的法向速度，m/s。

动量守恒：

式中$\mu $是流体的运动粘性系数，Pa·s；$\nabla p$为压差力，Pa；f 为体积，m³；$ \stackrel{\rightharpoonup }{v} $为流体的矢量流速，m/s。

能量守恒：

式中${c_p}$为定压比热容，J/（kg·K）；T为温度，K；k为流体的传热系数，W/（m·K）；${S_T}$为流体的内热源及由粘性作用流体机械能的部分。

Zwart-Gerber-Belamri空化模型^[11]：

当${p}_{v} \geqslant p $时，

当${p}_{v} < p $时，

式中${p_v}$为液体在相应温度下的饱和蒸汽压力，Pa；${\alpha _v}$为气相体积分数；${R_B}$为气泡半径，m；$\rho $为混合相密度，kg/m³；${\rho _1}$为液体密度，kg/m³；${\rho _v}$为气体密度，kg/m³；${R_e}$为蒸发相生成率；${R_c}$为凝结相生成率。

Broadband Noise Sources噪声模型：

式中${P_A}$是声功率，W/m³；${\alpha _0}$是声速，m/s；$\alpha $是模型常数；${M_t}$是湍流马赫数；n是湍动能，${m^2}/{s^2}$；$\varepsilon $是湍流动能耗散率。

本研究拟对六种不同开度下的电子膨胀阀流场进行计算。由于在实际工作过程中，为了得到不同制冷能力，通常改变阀芯上升高度即脉冲数或进出口压力来实现。为此，本文的计算以压进压出作为边界条件，以2.6325 MPa为压力入口，以0.7759 MPa作为出口压力条件。本文以R410A制冷剂作为介质对不同开度的电子膨胀阀进行计算。为了研究阀门开度对流场噪声等的分布，六种计算工况除阀门开度变化外，其他条件保持一致，其制冷剂参数如表2所示。

电子膨胀阀是空调器常用的节流元件，介于冷凝器和蒸发器之间^[19-20]。制冷剂以高温高压的液态从冷凝器流出，经电子膨胀阀节流降压作用后以气液两相状态流出进入蒸发器。由于电子膨胀阀上下游的结构较为简单，在阀门喉部产生气化形成空泡，因而喉部的计算较为重要。为了确保计算的准确性，以100脉冲数下的模型为例对喉部进行加密处理，最终得到四种不同网格数量的网格模型，如图5所示。

网格质量对计算结果的准确性、和理性具有直接决定性作用，合适的网格尺寸不仅能够满足计算的准确性还能实现效率最大化^[21]。以G=0.01 kg/s的质量流量入口为边界条件，0.8 MPa的压力为压力出口，通过计算得到稳定后的出口压力如表3所示。通过对网格无关性检验得出计算误差随网格数量的增大而减小，且当网格数量为82万时，计算时间不需要很久，因此选择82万的网格数量进行计算。同理，其他脉冲数下网格也按照100脉冲数的喉部加密尺寸进行计算。

图6所示是电子膨胀阀节流元件噪声测试台，以传感器来测量电子膨胀阀进出口的压力、温度等参数，并记录流量变化。本文通过数值计算得到六种开度下的流量参数，如图7所示。图7是在六种阀门开度下的实验与数值计算的流量对比图，从图中可以看出，当阀门开度从100脉冲增大到150脉冲时，实验测得和数值计算得到的结果其流量都逐渐增大。但在进行数值计算时不考虑其他条件的影响即视为理想状态，但在实际过程中，会由于安装方式、测量精度、读数误差等产生一定的影响，因而实验研究与数值计算的结果会产生一定的误差。但从图示可知，误差都在10%以内，可以满足计算要求。

当空调处于制冷状态时，制冷剂以高温高压液态的形式从冷凝器流入节流元件。由于电子膨胀阀具有节流降压的作用，在其出口制冷剂的压力减小。图8所示是在六种阀门开度下的压力云图，从图中可以看出，在从下向上流动过程中，在入口的压力较大，而在出口压力较小。这是由于高压的液体流道横截面骤缩的阀门喉部时，部分压力势能转变为动能，且在喉部区域具有较多的能量损失，因而造成出口压力减小。图示喉部即局部云图中可以看出，随着阀门开度的增大，喉部压降逐渐减小。

随着阀门开度的增大，阀门喉部的横截面积逐渐增大，阀门的流通能力增强。由于流通能力增强，使得其内部流体流动能力增强，从而使得流量增大。图9所示是在不同脉冲数下的速度场分布。图示局部区域是该剖面上流速最大的位置，从图中可以看出，随着阀门开度的增大最大流速也逐渐增大，从100脉冲下的58.61 m/s增大到150脉冲时的61.12 m/s。阀门流量和流速由阀门喉部通径所决定，当阀门开度增大阀门通径也随之增大，故而流速也随之增大。

节流元件在空调运行过程中起着节流降压的作用。液相制冷剂流入电子膨胀阀时，由于阀门的降压的作用使得阀门喉部及下游的压力减小，当局部压力小于该状态下制冷剂的饱和蒸汽压力时，就会产生空泡，空泡随流体向下运动在下游堆积形成两相流。图10所示是在不同脉冲数下的气相体积分数分布，从图中可以看出，阀前呈单相状态，在流经喉部后呈两相流状态。当阀门处于100脉冲或110脉冲时，在阀门出口有较多的气相制冷剂掺杂其中。而当阀门开度增大到120脉冲时，出口已经不再有气相制冷剂的存在。当阀门开度处于100~130脉冲时，在下游弯管位置有较多的气体存在，而当阀门开度增大到140脉冲时，该区域的气泡逐渐消失。图示中空泡聚集的区域主要在节流后阀门的直管段，当阀门开度逐渐增大时，空化现象减弱，空化区域减小。

当制冷剂流经电子膨胀阀时，由于节流降压作用使得部分压力势能转变为动能，同时在阀门喉部具有能量损失，这部分能量以声能的形式向外辐射形成噪声。图11是不同脉冲数下的噪声分布，从图中可以看出，随着阀门开度的增大其下游及阀腔处的噪声源处分贝值都有所增大。图示中噪声主要集中在阀门下游及阀腔区域，并且贴近阀针壁面位置噪声较大。图12所示是不同脉冲数下的湍动能分布，从图中可以看出在阀针壁面位置湍动能较大，这与噪声分布特点相似。由于制冷剂由下向上流动时，阀针产生一个阻碍作用，流体沿阀针绕流从而具有较大的湍动能，因而产生较大的噪声。

当流体冲下向上流动时，流体在经过阀门喉部时由于横截面积的收缩使得流体流速较大具有一定的冲力，当流体冲击到阀座时产生碰撞，形成噪声。图13所示是不同脉冲数下在阀针及阀座壁面的噪声分布。从图中可以看出，随着阀门开度的增大，阀座及阀针壁面的噪声也在逐渐增大。当阀门开度为100脉冲时阀座壁面产生的最大噪声为113.86 dB，当阀门开度增大到150脉冲时，最大噪声值增大到122.01 dB。这是由于在阀门开度增大的同时其喉部节流面的流速也在增大，因而在沿阀针绕流的同时，对阀座产生的冲击力也较大，因而出现阀座壁面噪声随阀门开度的增大而增大。

本研究通过数值计算对不同脉冲数下的电子膨胀阀内部流场进行计算，研究了在相同边界条件下不同开度下阀门的压力、速度、气相体积分数以及声功率级等分布特点，进一步对噪声等进行分析，最终得到以下结论：

（1）随着阀门开度的增大，阀内流体的流量也逐渐增大。当阀门开度处于100脉冲时阀内流体的流量为0.01499 kg/s，当脉冲数增大到150脉冲时，流量增大到0.02431 kg/s；

（2）阀门喉部的压降及最大流速与阀门开度有关。当阀门从100脉冲增大到150脉冲时，阀门喉部的最大流速从58.64 m/s增大到61.12 m/s，且阀门喉部的压降也随脉冲数的增大而减小；

（3）空泡聚集的区域主要在节流后阀门的直管段，当阀门开度逐渐增大时，空化现象减弱，空化区域减小；

（4）阀门流场中的最大噪声随阀门开度的增大而增大。噪声主要集中在阀针壁面、阀座壁面以及节流孔喉部，且随着阀门开度的增大流体的湍动能也增大，对阀座产生冲击力进而使得噪声增大。当阀门开度从100脉冲增大到150脉冲时，流场的最大噪声从113.86 dB 增大到122.01 dB。