制冷系统两相喷射噪声热物理作用机制与模型研究

本项目以两相喷射器中的流动与噪声特性为研究对象，利用理论计算和计算流体力学（CFD）方法对喷射器性能及内部流动机理进行了仿真研究，对影响喷射器性能的结构参数和工况参数进行了分析，建立了喷射过程中摩擦损失经验关联式以及两相喷射过程中声速与性能预测之间的关系。研究结果对设计性能优化的喷射器具有指导意义。本项目从以下几个方面进行了研究。1）一维喷射器性能仿真研究；2）两相声速对喷射器性能的影响研究；3）喷射器内部流动特性仿真研究；4）喷射器性能的试验研究。主要结果包括：1）建立了喷射器的热力学模型的基础上，针对实验数据对热力学模型中的系数进行更为仔细的确定，并对完善了的模型进行仿真。基于喷射器1D数学模型和已有喷射器性能参数，本项目提出了一种基于喷射器运行工况和喷射器结构参数的经验关联式，新关联式预测结果与实验值符合较好，误差波动范围为±2%。2）研究了两相区音速公式对一维临界模式下喷射器性能仿真的影响。理论计算表明，不同压力下，两相区的音速随制冷剂气相质量分数有较大的变化。与喷射器的实验数据相比，使用不同音速公式的仿真结果的确存在差异。仿真结果表明，对R134a，水和R290，仿真结果之间的差异分别在±5.0%，±8.7%和±11.5%。使用Niknam等公式的结果在R134a和R290的仿真中，相对误差较大；使用（Minnaert Smith）公式在使用水的仿真中，相对误差较大。这表明还需要进一步研究两相区音速，以期提高喷射器仿真模型对不同工质的适用性。3）建立了2D与3D喷射器数学模型，并进行了对比分析。结果显示2D仿真中喷射器性能与3D模型预测高度一致，但在系统内压力、速度分布等方面具有一定区别。4）在现有的空调系统的基础上，改造系统管路，用喷射器替代膨胀阀，在系统中研究喷射器的关键尺寸的影响；在关键尺寸优化的基础上，对蒸发器、冷凝器和压缩机进行再匹配，实现系统进一步优化。通过实验对比，喷射器系统比膨胀阀系统在高、中和低3种工况都有优势，能效比最多能改善9.3%。 2100433B

两相喷射噪声是制冷系统主要噪声源之一。该噪声不能通过类机械气动噪声方法消除，而需要针对其中的热物理作用机制来研究其产生机理。本项目通过试验研究与理论分析，基于噪声理论，结合在全消音室中开展的试验研究，针对两相喷射过程中工质热力学状态以及两相激波形态等热物理参数与现象，利用高速成像技术和噪声时域-频域频谱分析技术，探究两相喷射噪声中的热物理作用机制与机理，对工质特性、喷射器结构、喷射过程中的压力、温度、相态以及两相激波等与噪声的相关性展开研究。通过该研究，揭示两相喷射噪声中的热物理作用机制特性，获得两相喷射噪声的理论数学模型，在机理上解释两相喷射噪声产生的根本原因。通过此研究，将拓展制冷系统噪声产生机理的认识，更好地掌握两相喷射噪声对系统总体噪声的影响，为有效抑制喷射噪声提供给理论基础。

喷射器是一种具有增压、真空、混合作用的重要装置。本项目以低温多效蒸馏系统中的蒸汽喷射器和CO2喷射/压缩制冷系统中的跨临界喷射器为研究对象，围绕喷射器内超音速流动过程中的激波分布规律、凝结与蒸发两相流的热质传递机理和喷射器激波调控机理这三个关键科学问题，利用纹影光学测量方法和数值模拟研究喷射器内超音速两相和超临界流体流动中激波分布规律，揭示超音速气动激波与相变过程的耦合影响机理；利用PIV及毛细管测量技术研究喷射器内的二维局部速度、压力分布规律，建立喷射器内的非平衡凝结和蒸发过程的数理模型；设计新型喷嘴构型和增加激波发生元件来调控喷射器内的激波系，研究适用于两相和跨临界喷射器的激波调控机制；最后研究变工况下喷射器的性能特性，建立喷射器的优化设计方法。本研究将为提升喷射器性能提供理论依据，对相关工业领域的增产和节能减排有重要意义。

本项目深入揭示了喷射器内超音速流动过程中的激波分布规律、凝结与蒸发两相流的热质传递机理，提出了喷射器激波的调控方法，获得了变工况下喷射器的性能特性，建立喷射器的优化设计方法。项目研究提升了跨临界CO2制冷与热泵系统的能效比，为超临界CO2为工质的冷热电联供系统提供优化方法和模型。本项目通过对跨临界喷射器机理的深入认识，设计了高性能喷射器部件，研发了跨临界CO2喷射-压缩热泵机组，在-20℃低环境温度工况下制热COP达到1.92（进出水温9/55℃）。该技术目前正在清华大学山西清洁能源研究院进行成果转化，在北方清洁供暖、原油降粘输运等领域应用前景广阔。本项目共发表SCI论文5篇，EI论文2篇，全部为第一标注。申请发明专利3项。培养研究生3名。项目负责人共参加国际会议8次、国内会议11次，其中做邀请报告7次。