摘要：对于气液分离器的使用，特别是在比较复杂的空调系统中，不但其分离效果影响整个空调系统的性能、安全性、稳定性，其结构的优化对运行过程中冷媒流动产生的异音消除效果也非常明显。采用仿真软件对不同结构的气液分离器进行建模和数值模拟计算，分析了气液分离器的结构进行优化设计的方向。
关键词：气液分离器；湍流模型；仿真研究；热回收技术
在空调行业，特别是在一些较复杂的系统应用中，常常会用到气液分离器。气液分离器一般结构比较简单、紧凑。其分离效果影响了整个空调系统的性能、安全性、稳定性，其结构的优化对运行过程中冷媒流动产生的异音消除也有非常明显。因此，对气液分离器的结构进行优化研究具有重要的实际意义。
1 空调系统中的气液分离器
随着人们环保意识的增强，热回收空调越来越受青睐。热回收技术能实现同一套空调系统的同时制冷制热，可以把一部分房间的冷负荷或热负荷供给另外一部分需要的房间，减少从外部环境获得的冷负荷或热负荷，也同样减少了向外部环境排放的冷负荷或热负荷。这样不仅可减少系统设计容量、降低系统能耗、提升能效、更加节能，还可减少对外部环境的碳排放，缓解居住环境热岛效应，更加环保。两管式热回收系统是目前市场上主流热回收空调系统中的一种。美的两管式热回收空调系统主要包括室外机、冷媒换向及气液分离装置和室内机。对于不同区域制热或制冷需求，由分流装置分配不同的气液态冷媒到所在区域的室内机。目前，市场上的气液分离器在液面波动时容易出现抽吸异响。我们针对抽吸异响的产生对分离器进行了剖析。
对于美的空调热回收空调系统里的气液分离器，高温高压气液混合物从图1中分离器的左边入口进入罐子，入口管斜插进分离器中部，待分离的两相混合液以一定压力进入分离器内部。由于制冷剂的液态颗粒与气态颗粒的比例不同，其受到的离心力、向心浮力等均不同，从而产生离心沉降作用。大部分液态颗粒终要沉在底部及壁面，然后从底处流出，而气态颗粒则从顶部的气流出口溢出。分离器顶部设置有一挡板，挡板在起到阻挡液相颗粒高速旋转流动作用的同时，使得部分液体颗粒与壁面碰撞后向上流动。
2 构建气液分离器仿真模型
2.1 气液分离器热回收系统湍流数学模型
流体力学中关于湍流数学模型主要有标准RNGk-ε模型、k-ε模型、雷诺应力（RSM）模型。RNGk-ε是在标准k-ε模型上把重整化群方法引入到湍流计算中，而标准k-ε模型是一个半经验公式，它假定流场完全为湍流，分子间的黏性可忽略不计。RSM模型则完全忽略了基于各向同性、涡粘性的假设，主要侧重于考虑流体流线行涡旋、旋转、弯曲和张力快速变化。这种模型对于流动复杂性有着更高精度预测的潜力，因此，很多时候能得出优于各种k-ε模型计算的结果。
按照强旋流范围的概念，气液分离器内部流体在湍流流动是有曲率的，因此具有很大的切向速度。相关文献表明，采用k-ε方程对该强旋流动模型进行仿真计算存在严重的缺陷，仿真与真实实验结果存在着严重不符的情况。
本文所用的美的自制研发的气液分离器内部结构与其他厂家的区别在于增加了出口和入口管道以及挡板。由于存在不同的壁面条件，造成了不同的湍流动能。因此，气液分离器的内部流场不能用雷诺应力各项同性的假设来准确反映。
2.4 关于网格无关性的验证
拉格朗日法和欧拉法普遍被用于模拟分散相。拉格朗日法是通过计算得到每个颗粒运动轨迹，从而模拟容器内部两相流的流动情况；欧拉法是将分散相等同对待为连续相等相处理，从而得到每相的局部体积分率。
2.2 罐子内部两相流场涉及到的数学模型
2.3 模型的网格划分及边界条件
本文所涉及的空调系统采用环保的R410A制冷剂，从实验测试数据结果得到的下出口和入口的边界条件如表1所示。
表1 气液分离器出口及入口边界条件
拉格朗日模型主要被用于模拟模型低体积浓度的情况；欧拉法中每相都有1组传输方程，以此来描述和模拟计算相与相之间运动的相互作用及影响。本文采用欧拉模型来模拟两相流，这是因为所用的气液分离器模型中气相与液相相互作用，且两相浓度会随工况的变化而变化。
本文采用自适应六面体非结构性网格对气液分离器进行不同的数量网格划分，从55万和169万这2种网格模型的计算结果对比发现，2种网格计算的结果虽然差异不大，但计算时间长的网格计算是短的网格的3.5倍以上，因此，本次计算采用小网格。
3 仿真模型计算结果及结构优化
3.1 干度条件不同情况下计算结果分析
在结构相同的情况下，由于制冷剂的干度不同，气液分离效果也不同，从实验计算的结果可知，入口气相所占比例越小，入口干度越小，气液分离器的效果越好。由于空调系统在实际运行过程中无法对气液分离器入口制冷剂干度的大小进行控制，所以，我们主要对气液分离器的结构进行优化。
3.2 改进结构计算结果分析
在不同结构下，通过软件计算得到影响气液分离异音的主要因素是液体出管位置、入口管弯角度数及位置。计算得出，液侧出口管吸口位置越低，虽能更好地阻止气体从液侧出口流出，但由于出口管过低会增加加工难度，超过一定位置极限值时还会使液体无法从液侧出口流出。通过计算结果表明，罐子顶部挡板过低，不但阻挡不了液体，反而会从气侧流出；但是挡板过高时，气体又无法顺利从气侧出口流出。结果表明，挡板下倾较小角度时，气体可以顺利流出，还大大降低了液体的干度，进而提升了气液分离的效果；挡板向上倾斜可保证液体无法从气侧出口流出，但气体也无法从气侧出口顺利流出，气液分离效果变差。在加工工艺允许的情况下，为了利于气体从气侧出口流出，气侧出口管越高越好。
图1 气液分离器结构优化含气率分布图
综合分析分离效果的影响因素，美的制作出了液侧出口管从罐子底部中央流出，挡板和入口管口上移10mm的气液分离器。仿真结果表明，结构优化后的罐子气液分层效果提升明显，尤其是干度越大，旋流效果和气液分离效果就越明显。同时，气液出口流量分配更加合理，因为提高了气侧出口干度后，液侧出口干度明显下降。气液分离器结构优化含气率分布情况如图1所示。
4 结论
本文采用欧拉两相流模型以及雷诺应力RSM湍流模型，利用仿真软件计算对比相同干度、不同结构下的气液分离器分离效果，得到的结论有以下2点：①对于优化后的气液分离器，位置不同的液侧出管和气侧出管对气液分离器分离效果有较大的影响。根据仿真计算得出的结果，液侧出口管中间流速较快，形成了漩涡，使得气体中管子中间流出，液体沿管壁流出，因此，不易出现抽吸异响。②对于改进后的结构，即使液位波动，液出口也不易出现气液交替从液出口流出的情况。挡板和入口管上移液出口干度略有下降，气出口干度上升，效果略有提升。
