微通道平行流蒸发器两相流研究 CFD-课程+案例

四、蒸发器模型建立

4.1 建模：

在平行流蒸发器中，入口集液管，出口集液管（或过流集液管）的结构都会对压力场分布，及两相制冷剂的流量分配产生影响。为了提高仿真结果的准确性，我们将整个蒸发器进行建模仿真。采用三维建模软件SolidWorks对蒸发器进行建模，直接画出蒸发器内流道模型，并对模型中的边角圆弧进行适当的简化。

4.2 定义面：

将建好的流道模型导入ANSYS-Workbench中的designmodel模块，定义进出口，以及各扁管进出口，方便后面监测各扁管中质量流量、压力等值。

4.3 网格划分

网格划分直接使用Workbench中自带的mesh模块进行划分，将模型进行适当的切割，并对部分区域进行加密处理，确保网格质量达到计算要求。网格采用自适应网格，网格数量约210万。

4.4 条件设置：

计算流体动力学求解的控制方程为连续性方程及动量方程，控制方程如下（参见fluent帮助文件）：

五、仿真过程

接下里就是将模型导入到Fluent中进行仿真了。将画好的网格导入Fluent中进行仿真计算：

求解器模型、定义边界条件、材料属性、求解方法、监视器等参数设置如下：

5.1 采用Mixture两相流模型，基于压力的稳态隐式求解器，多相流湍流模型采用......模型，采用s.....模型，以气相为主相，液滴直径0.01 mm。

5.2 两相流材料分别选取R134a在蒸发器对应的压力（约0.3MPa）和温度（0℃）的气液两相的物性参数，通过查表输入。

5.3 定义边界条件，入口为mass-flow-inlet，出口为pressure-outlet，其余为wall，由于一般蒸发器集液管带有保温层，不参与换热，假定其绝热。

5.4 压力速度耦合方式为simple算法，动量方程的离散采用QUICK格式，其余为一阶迎风格式。

5.5 定义监视器，监测进出口质量流量、压力、各扁管质量流量以及残差。

5.6 初始化并迭代计算，直到结果稳定，保存case和data。

六、仿真结果

从仿真结果可以看出，在入口段，由于制冷剂流速较大以及制冷剂从进口管进来后存在一个突然扩张导致制冷剂回流存在一个低压区，从而导致一部分扁管制冷剂质量流量偏小。

七、实验和优化

7.1 为了验证蒸发器性能仿真计算的可靠性，我们进行了蒸发器单体性能试验。实验工况如下：

同时为了得到制冷剂的流量分布情况，我们采用红外热像仪拍摄了蒸发器表面温度分布图，图中温度较高的部分是由于制冷剂流量偏小，因而与空气换热后达到的过热度较高所致，可以看出与仿真结果较为接近。

7.2 优化：

7.2.1 结构：

平行流蒸发器内的两相流量分配控制主要在集液管内实现，为了提高蒸发器内部流量分配的均匀性，蒸发器的内部通常会设置有导流板，使集液管压力梯度尽量减小有利于实现流量的均匀分配。

第一种集液管结构为“未优化结构”，制冷剂入口管、集液管上盖板、后端盖、主板（扁管插孔板），以及数十根根扁管组成典型的平行流蒸发器集液管，集液管内部未设置流量分配控制结构，如表3-1“未优化结构”所示。

“径向节流结构”通过在集液管内适当位置设置带节流孔竖直隔板实现，希望通过隔板的阻拦作用使压力梯度尽量减小，其特点为：采用带节流孔竖直隔板，工艺性好，隔板位置及节流孔孔径大小可通过实验标定，当蒸发器尺寸变化时便于调整，可对集液管内压力分布进行有效控制。

“轴向节流结构”通过在集液管内设置带节流孔水平隔板实现，原理与“径向节流”一致，通过损失一定的制冷剂压力，达到降低集液管内压力梯度的目的；其结构特点与“径向节流”相比其主要区别为：在集液管内隔板为水平放置，节流孔在水平隔板上的位置，形状，孔径等均为可调参数，但是工艺较为复杂。

“插管式结构”希望通过使制冷剂流经集液管内管路上的开孔，达到降低集液管内压力梯度，均匀分配两相制冷剂的目的；其结构特点是，制冷剂入口管路插入集液管直到底部，在入口管路插入集液管的部分上开孔，使两相制冷剂从入口管路上的开孔处流出，进入各根扁管。该结构在批量生产制造时，只需将加工好的入口管路插入集液管，工艺性较好。

本次针对平行流蒸发器集流管内部的轴向节流机构（分流板）进行仿真优化，得到不同结构的分流板对于蒸发器内部两相流流动分配的影响。分流板在蒸发器内部的结构图如下所示：

7.2.2 孔径的影响

为了研究孔径对蒸发器内部流动分配的影响，我们分别建立了一个孔径为2mm和一个孔径为5mm的集流管模型，并进行仿真，比较两者的区别，结果如下图所示：

由上面的结果分析可以看出，制冷剂在小孔径下质量流量分配较为均匀，但随着孔径的减小，流动阻力也会随之上升，因此要在压力允许的范围内对孔径进行选择。

7.2.3 孔数对蒸发器内部流动的影响

为了研究孔数对蒸发器内部流动分配的影响，我们分别建立了孔径为2mm，孔数为6、8、16的蒸发器模型，并进行仿真，比较三者之间的区别，结果如下图所示：

由上面的结果分析可以看出，在各孔质量流量分布大致均匀的情况下，由开孔流出到个各扁管中的质量流量依然存在不均匀性，随着孔数的增加，制冷剂分配的均匀性不断提高，当开孔数为16（约为扁管数的1/2）时，制冷量分配较为均匀。

因而之后的分流板设计我们将考虑使用小孔径分流板，开孔数为16，将于近期进行样件加工和实验验证。

《完》

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