摘要

蒸发器入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。本研究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了改进，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。通过数值模拟研究了通风结构对海尔BCD-520冰箱降噪效果的影响，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，并将喷射噪声降低了1.5 分贝（A）。

1.简介

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，压缩机的噪音大大降低。然而，制冷剂流动噪声变得更容易听到，尤其是毛细管出口处的喷射噪声。喷射噪声不仅影响人们的生活质量，而且影响冰箱中食品的卫生[8]. 由于两相流的水动力特性随气泡特性的变化而变化，气泡被认为是两相流噪声的主要来源之一。近年来，许多学者开始对噪声特性进行科学的实验研究，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处流体诱导噪声的机理[9]. Min Seong Kim等人提出使用噪声模型图来预测冰箱中制冷剂引起的噪声[10]. Hyung Suk Han等人研究了制冷剂在蒸发器入口的流动模式和气泡特性，并讨论了制冷剂噪声与气泡特性之间的关系[11–13]. 夏玉波等人在毛细管和蒸发器之间建立了不同结构的过渡管，并实验研究了过渡管中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。本研究在理论和实验研究的基础上，对制冷剂在毛细管出口的喷射噪声进行了研究，考虑到管道流体动力学和气泡动力学，旨在抑制蒸发器入口气泡的破裂，从而有效控制制冷剂在毛细管口的喷射噪声，提出了可行的解决方案，达到了固化的目的。

2.冰箱噪声的频率分布

冰箱噪音主要是20之间的可听声音 Hz和20 人类能听到的千赫。系统噪声主要分布在20 Hz和10 kHz，包括：(1)机械噪音（0 Hz–300 Hz）(2)气泡破裂噪声（300 Hz-2500 Hz）(3)电磁噪声（2500以上 赫兹）(4)三种噪声的交叉噪声（共振）

典型的频谱分布如图所示1.

（a）

（b）

（c）

（d）

（a）
（b）
（c）
（d）

图1 

冰箱四个方向的噪声谱分布。

图1表明冰箱噪声随方向变化。压缩机室侧面和左侧的噪音略大于前部和右侧的噪音。观察到一个峰值，范围为125Hz–2000 赫兹。

由于气泡的大小和形状随管道中的流型而变化，因此应根据管道中的流动模式改变声学特性。声学特性可以根据方程式进行估算(1) [15]假设单位气泡可以建模为一个单自由度弹簧-质量系统。哪里

我们假设气泡的体积以如下所示：

然后，可以获得振荡气泡的固有频率，如下所示[16]:哪里是等效气泡半径。

由于气泡的爆裂频率接近气泡的固有频率，因此可以得出结论，气泡爆裂噪声的频率主要分布在125 Hz和2000 赫兹。

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

3.毛细管出口射流噪声的数值模拟

对于小型制冷系统，毛细管因其结构简单、成本低、安装方便、质量稳定等诸多优点而得到广泛应用。以往的研究表明，制冷剂流经毛细管时会出现亚稳态现象，这会影响毛细管出口的流速、压力和喷射状态。

根据文献，毛细管出口处的喷射噪声主要是由蒸发器入口制冷剂气泡剧烈膨胀和突然破裂引起的。通常，冰箱的制冷系统中有多个蒸发器。例如，本实验选择的冰箱分为保鲜室、冷藏室和冷冻室。有三个蒸发器，它们通过自然对流和辐射换热与冰箱内部进行热交换。本实验改进了保鲜室毛细管出口的结构，直接影响毛细管出口制冷剂气泡的破裂，进而影响毛细管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中的流动，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。随着管道尺寸突然减小，制冷剂流量将增加，压力将降低。该部件的压降可以表示为哪里是输入的局部阻力系数，由下式给出哪里是毛细管的横截面积，是过滤干燥器的横截面积，以及

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。控制方程如下。

动量方程：哪里是摩擦阻力系数,使用丘吉尔方程，得出

毛细管中的能量方程：

压缩机吸入管中的能量方程：

忽略毛细管和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

毛细管和压缩机回流管的对流换热系数由Pata给出[18]:

3.1.3. 气液两相流模型

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

质量守恒方程：

动量方程：其中剪切应力如下：

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。使用非结构化网格构建三维模型。边界条件为速度入口和压力出口。两相流模型采用了可靠的湍流模型和混合模型。

选择了空化模型。毛细管内径为天1 = 0.7 mm，外径为天2 = 1.8 mm。过渡管的长度为70 mm.过渡管内径为天三 = 6 mm，外径为天4 = 8 mm。毛细管插入过渡管的深度为19.65 mm。旁通管的内径和外径与毛细管的内径和内径相同。旁通管的插入位置为20 距过渡管两端mm。改进前后的结构如图所示2和三.

图2 

优化前的过渡管。

图3 

优化后的过渡管。

选择海尔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.

（a）

（b）

（a）
（b）

图4 

过渡管处的局部压力和液相体积分数。（a） 过渡管处的局部压力。（b） 过渡管处的气相体积分数。

过渡管轴线处的局部压力和气相体积分数如图所示4图中水平坐标的起点4表示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。图4（a）表示了制冷剂在过渡管中的分压分布，这表明蒸汽混合结构可以通过引入气相制冷剂显著增加蒸发器入口的局部压力。图4（b）表示了过渡管中气相制冷剂的体积分数分布，表明优化后过渡管中制冷剂的气相体积分数显著降低，因为制冷剂的空化现象得到抑制，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，这种结构可以有效地抑制蒸发器入口制冷剂气泡的破裂，使气泡继续沿着管道流动，同时可以降低毛细管出口制冷剂喷射的噪声值，从源头上解决噪声问题，达到治标治本的效果。

4.冰箱节流毛细管射流噪声的实验研究

4.1. 实验设备

带有预制过渡管的冰箱制冷系统如图所示5。在毛细管出口和蒸发器入口之间，安装了改进的过渡结构，而系统的其余部分保持相对位置。

图5 

带过渡管的制冷系统。

4.2. 测试设备

实验测试室和实验设备由青岛海尔提供。实验在标准噪声抑制室中进行。冰箱样机为海尔BCD-520，噪声频谱分析仪为LMS测试。实验室。按照GB_T8059规定的测试方法，将冰箱放置在消声室中间的水平地面上，冰箱周围放置四个传声器。麦克风距离冰箱1米，高度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°C/73%，大气压力为1.0118 × 10⁵ Pa.保鲜室的温度设置为6°C。

（a）

（b）

（a）
（b）

图6 

（a，b）试验设备的布局。

4.3. 结果分析

从以上讨论中可以发现，毛细管出口气泡的破裂噪声是冰箱的主要噪声源之一，其主要频率范围为250–8000 赫兹。然后，我们在这个噪声频率范围内进行了实验。实验数据如图所示7和8.

（a）

（b）

（a）
（b）

图7 

（a） 改进前冰箱运行周期的噪声曲线。（b） 改进后冰箱运行周期的噪声谱分布。

（a）

（b）

（a）
（b）

图8 

（a） 改进后冷冻机运行周期的噪声曲线。（b） 改进后冰箱运行周期的噪声谱分布。

如图所示8（a）和8（b），改进后的噪声频谱变得更平滑，尤其是在125以内 赫兹–2000 赫兹。优化后，噪声信号水平降低了1.5 dB（A），噪声曲线波动较小。这些结果表明优化是可行的。也就是说，通过调节蒸发器入口处的蒸汽混合物，可以抑制毛细管出口处的气泡破裂，以及毛细管出口处射流噪声的频谱幅度。

本标准规定实验室的环境温度可为10至43°C；在我们的测试中，它是（25 ± 0.5）摄氏度。实验室的相对湿度通常为（55 ± 1） %，环境空气流量小于0.25 米/秒。

5.结论

理论和实验结果表明，毛细管出口的噪声直接影响冰箱的噪声水平。在本研究中，通过在冰箱蒸发器入口处安装蒸汽混合装置，抑制了毛细管出口的气泡破裂，降低了毛细管出口的射流噪声，从而降低了整体噪声水平。

因此，为了降低冰箱的噪音水平，冰箱制造商应为冰箱选择高效、低噪音的压缩机，改进结构，并研究制冷系统中各部件的匹配。

术语

数据可用性

如有要求，可从相应作者处获得所有数据。

利益冲突

提交人声明他们没有利益冲突。

致谢

本文由国家自然科学基金（no.51776226）和中南大学研究生自主探索与创新项目（no.ZZTS2020518）共同资助。