毛细管出口射流噪声的蒸汽超空泡抑制实验研究

摘要

蒸发器进口气泡破裂程度是决定毛细管出口喷射噪声大小的关键因素。在本研究中，利用空化动力学理论，对毛细管与蒸发器之间的过渡管进行改进，以抑制蒸发器入口处的气泡破裂，从而降低毛细管出口处的射流噪声。采用数值模拟的方法研究了曝气结构对海尔BCD-520冰箱降噪的影响，并进行了实验研究。结果表明:掺合料结构显著抑制了气泡破裂，降低了喷射噪声1.5 dB(A)。

1.介绍

噪声是冰箱最重要的质量指标之一。为了解决这个问题，先驱者投入了大量的预算和人力[1- - - - - -7］．随着冰箱压缩机的不断改进和优化，压缩机噪声大大降低。然而，制冷剂的流动噪声变得更容易被听到，特别是在毛细管出口的喷射噪声。喷射噪声不仅影响人们的生活质量，还影响冰箱内食品的卫生[8］．由于两相流的流体动力特性随气泡特性的变化而变化，气泡被认为是两相流的主要噪声源之一。近年来，许多学者开始对噪声特性进行科学实验研究，并提出了噪声抑制方法。例如，Jascha Ruebeling和Steffen Grohmann分析了制冷系统毛细管出口流体噪声的机理[9］．Min Seong Kim等人提出利用噪声模型图预测冰箱中制冷剂引起的噪声[10］．Hyung Suk Han等研究了蒸发器进口制冷剂流动模式和气泡特性，讨论了制冷剂噪声与气泡特性的关系[11- - - - - -13］．夏玉波等在毛细管和蒸发器之间建立了不同结构的过渡管，实验研究了过渡管内制冷剂流动状态对制冷机噪声的影响[14］．当制冷剂处于两相流状态时，通常会产生制冷剂流动噪声。目前，该方案对冰箱毛细管出口射流噪声的抑制效果并不理想。研究基于理论和实验研究,制冷剂在毛细管出口飞机噪音,考虑到管道流体动力学和泡沫动力学,旨在遏制蒸发器进口空气泡沫破裂,从而有效地控制制冷剂在毛细管出口射流噪声,提出了可行的解决方案,达到固化的目的。

2.冰箱噪声的频率分布

冰箱的噪音主要是人们能听到的20赫兹到20千赫之间的声音。系统噪声主要分布在20 Hz ~ 10 kHz之间，主要有以下几种:（1）机械噪声(0 Hz - 300 Hz)（2）气泡爆破噪声(300hz - 2500hz)（3）电磁噪声(2500hz以上)（4）三种噪声的交叉噪声(共振)

典型的频谱分布如图所示1．

数字1显示冰箱的噪音随方向而变化。压缩机腔室一侧和左侧的噪声略大于前部和右侧的噪声。在125Hz-2000 Hz范围内观察到一个峰值。

由于气泡的大小和形状随管道内流型的变化而变化，因此其声学特性也应随管道内流型的变化而变化。声学特性可由式(1) ［15，假设一个单位气泡可以建模为一个单自由度弹簧-质量系统。 在哪里

我们假设气泡的体积以的振幅振荡如下:

则振荡气泡的固有频率可得:16]： 在哪里为等效气泡半径。

由于气泡的爆破频率与气泡的固有频率接近，因此可以得出气泡爆破噪声的频率主要分布在125 ~ 2000 Hz之间。

当等效气泡半径大于内壁半径时，气泡形状不能为球形。由于气泡半径大于管道半径，气泡应沿管道轴向不规则变形，形成段塞流。为了便于解释长弹丸的频率特性，本文假设长弹丸的形状为圆柱形[17］．

3.毛细管出口射流噪声的数值模拟

在小型制冷系统中，毛细管具有结构简单、成本低、安装方便、质量稳定等诸多优点，得到了广泛的应用。以往的研究表明，制冷剂流经毛细管时，会出现亚稳态现象，影响毛细管出口的流量、压力和注入状态。

根据文献，毛细出口的射流噪声主要是由于蒸发器进口处制冷剂气泡剧烈增长而突然破裂引起的。通常，在冰箱的制冷系统中有多个蒸发器。例如，在本实验中选择的冰箱分为保鲜室、冷室和冷冻室。有三个蒸发器，通过自然对流和辐射换热与冰箱内部进行换热。本实验对保鲜室毛细出口结构进行了改进，直接影响毛细出口制冷剂气泡的破裂，进而影响毛细出口的喷射噪声水平。通过对比优化前后的数值模拟结果，进行了初步分析。

3．1.毛细管数值模拟

为了准确描述制冷剂在毛细管出口和过渡管内的流动，首先建立了毛细管数值模拟模型。毛细管数值模拟分为三个部分。

3.1.1。毛细管入口收缩段

单相制冷剂从干燥过滤器流入毛细管。当管道尺寸突然减小时，制冷剂的流量会增加，压力会降低。这部分的压降可以表示为 在哪里给出的进口局部阻力系数是 在哪里为毛细管的横截面积，是干燥过滤器的横截面积，和

3.1.2。过冷液体单相模型

液体制冷剂在毛细管中高速流动，与毛细管内表面产生强烈摩擦，从而导致制冷剂压力下降。控制方程为:

动量方程: 在哪里摩擦阻力系数是和吗 ，用丘吉尔方程，给出

毛细管中的能量方程:

压缩机吸入管路能量方程:

忽略毛细管与压缩机回流管之间的接触热阻和轴向导热系数，能量方程为

毛细管与压缩机回流管的对流换热系数由Pata [18]：

3.1.3。气液两相流动模型

当制冷剂在毛细管中流动时，制冷剂压力开始下降到过冷温度对应的饱和压力，制冷剂处于两相流状态。控制方程为:

质量守恒方程:

动量方程: 式中剪应力为:

３．２．过渡管汽液两相数值模拟

根据制冷剂R600a在毛细管出口的状态参数，利用CFD商业软件建立了过渡管的气液两相流模型和Schnerr-Sauer空化模型。采用非结构化网格建立三维模型。边界条件为速度入口和压力出口。两相流模型采用可靠的湍流模型和混合模型。

选择了空化模型。毛细管内径为D1 = 0.7 mm，外径为D2 = 1.8毫米。过渡管的长度为70mm。过渡管的内径为D3 = 6mm，外径为D4 = 8毫米。毛细管以19.65 mm深度插入过渡管。旁路管的内径和外径与毛细管的内径相同。旁路管插入位置距过渡管两端20mm。改进前后的结构如图所示2和3.．

选取海尔BCD-520的设计条件进行仿真，计算参数如表所示1．

仿真结果如图所示4．

过渡管轴线处的局部压力和气相体积分数如图所示4．图中水平坐标的起始点4代表毛细管出口末端的位置，横坐标的正方向与制冷剂流动方向一致。数字4(一)为制冷剂在过渡管内的分压分布，说明蒸汽掺合结构可以通过引入气相制冷剂明显提高蒸发器进口局部压力。数字4 (b)为过渡管内气相制冷剂的体积分数分布，表明优化后过渡管内制冷剂的气相体积分数明显降低，因为冷却剂空化现象得到抑制，达到超空化状态，同时，压力波动变小。根据结果,我们可以知道结构能有效抑制制冷剂泡沫的破灭入口处的蒸发器,这样泡沫继续沿管道流动,同时可以减少噪音值制冷剂喷射的毛细管出口,从源头解决噪声问题，达到标本兼治的效果。

4.电冰箱节流毛细管射流噪声的实验研究

4．1.实验设备

图中显示了一个带有预制过渡管的冰箱制冷系统5．在毛细管出口和蒸发器进口之间安装改进的过渡结构，而系统的其余部分保持相对位置。

4．2．测试设备

实验试验室及实验设备由青岛海尔提供。实验是在一个标准的噪声抑制室内进行的。冰箱的原型是海尔BCD-520，噪声频谱分析仪是LMS Test.Lab。按照GB_T8059规定的试验方法，将冰箱放置在消声室中间水平地面上，冰箱周围放置四个麦克风。麦克风与冰箱的距离为1m，高度为1.5 m。冰箱噪声评价系统如图所示6．环境温度和湿度为20.5℃/73%，大气压力为1.0118 × 10⁵Pa。保鲜室温度设置为6℃。

4．3．结果分析

由以上讨论可知，毛细管出口气泡爆裂噪声是冰箱的主要噪声源之一，其主频范围为250-8000 Hz。然后在此噪声频率范围内进行实验。实验数据如图所示7和8．

从图中可以看出8(一个)和8 (b)，改进后的噪声频谱变得更平滑，特别是在125 - 2000 Hz范围内。优化后噪声信号电平降低1.5 dB(A)，噪声曲线波动较小。结果表明，优化是可行的。也就是说，通过调节蒸发器入口的蒸汽掺量，可以抑制毛细管出口的气泡破裂，也可以抑制毛细管出口的射流噪声谱幅。

该标准规定实验室环境温度可在10 ~ 43℃之间;在我们的测试中，它是(25±0.5)°C。实验室相对湿度一般为(55±1)%，环境气流小于0.25 m/s。

5.结论

理论和实验结果表明，毛细管出口噪声直接影响制冷机的噪声水平。在本研究中，通过在冰箱蒸发器进口安装蒸汽混合装置，抑制毛细管出口气泡破裂，降低毛细管出口射流噪声，从而降低整体噪声水平。

因此，为了降低冰箱的噪声水平，冰箱制造商应为冰箱选择效率高、噪音低的压缩机，改进结构，研究制冷系统中各部件的匹配。

命名法

一个：	区域,米2
cp：	恒压比热J/(kg K)
D：	直径、米
f：	摩擦系数
fn：	振荡气泡的固有频率，Hz
：	质量流量,公斤/米2年代
H：	对流换热系数，W/m2K
：	气泡的等效刚度项
米：	质量,公斤
ν:	努塞尔特数
：	气泡周围的液体压力Pa
：	气泡的声压，Pa
公关:	普朗特数
再保险:	雷诺数
R0：	假设气泡形状为球形，其等效半径m
T：	温度、°C
：	气泡体积
：	气泡的初始体积m³
x：	干燥
z：	轴向坐标,m。

希腊符号

：	振幅
：	比热容比
：	具体的体积,米3./公斤
：	进口局部阻力系数
：	密度,公斤/米3.
：	剪切应力,N / m2．

下标

b：	泡沫
c：	毛细
D：	干燥过滤器
：	气体
l：	液体
年代：	压缩机吸入管
：	墙。

数据可用性

所有数据可从通讯作者要求。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

本文由国家自然科学基金资助项目(no。基金资助:国家自然科学基金资助项目(51776226);ZZTS2020518)。

参考文献

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