汽车空调CO2跨临界旋流喷射相变流动机理及其对系统性能的影响

The traditional ejector has the disadvantages of large volume, long axial distance and additional gas-liquid separator, which becomes the main bottleneck for improving carbon dioxide transcritical ejector cycle performance for automobile air conditioner. The swirling flow ejector adopts the integral structure, and the fluids swirl inside ejector, which may overcome above weaknesses for traditional ejector and improve the carbon dioxide transcritical cycle system performance. In the present study, the performance of the swirling flow ejector is investigated theoretically and experimentally. Based on the Euler-Euler method, the two phase flow inside ejector is simulated and the mechanism of swirling flash choked flow is revealed, then the models of nozzle performance and choking characteristic are established through combining with ejector performance and pressure distribution tests. The form of shockwave is concluded through the optical Schlieren visualization experiments, and the mixed flow model for supersonic main flow and entrained flow is developed through combining with experiment rules. The two-phase pressure rise and gas-liquid separation characteristics at the diffusing section are concluded from the experiments, and the prediction models for two-phase diffuser and separation performance are developed. Combining all of the above models with CO2 transcritical cycle system model, the phase transformation and flow mechanism of transcritical carbon dioxide in swirling flow ejector and its effect on system performance are revealed; the models are verified and corrected through the experiments. The research results may provide the theoretical foundation for the application of CO2 refrigerant in automotive air conditioner.

传统喷射器存在体积大、轴向距离长、需额外配置气液分离器等缺陷，成为汽车空调领域CO2跨临界喷射循环性能提升的主要瓶颈。旋流喷射器采用整体式结构，内部呈现旋流运动，可以克服传统喷射器的缺点，有望提升CO2跨临界系统能效。项目采用理论模拟与实验相结合的方法对CO2旋流喷射器性能开展研究。基于多相流欧拉-欧拉方法模拟旋流喷嘴内部流动，揭示旋流闪发壅塞流的发生机理，结合压力分布和喷射性能实验，建立喷嘴段两相流旋流的喷嘴性能和壅塞流模型。通过纹影法可视化实验，明确超声速激波形态，结合实验规律，建立超声速主流和引射流的混合流模型；实验得出旋流扩压段的两相升压和分离特性，建立升压性能气液分离性能预测模型。将上述各段模型相结合，嵌入CO2跨临界循环系统模型，揭示旋流喷射相变流动机理及其对跨临界循环系统性能的影响机制，并通过实验进行验证和修正。研究成果为CO2环保制冷剂在汽车空调的推广应用提供理论依据。

在当前国家双碳政策的推动下，全球变暖潜力极低的自然工质CO2作为汽车空调制冷剂的应用推广具有重大意义。跨临界CO2汽车空调系统的节流损失较大，在高温环境下系统效率较低，而两相喷射器可回收节流过程的膨胀功，显著提高系统能效。传统轴流式喷射器存在体积大、轴向距离长、需要额外配置气液分离器等缺点，而旋流式喷射器采用整体式结构，可以克服传统喷射器的缺点，有望在车用领域推广应用。本项目围绕汽车空调CO2跨临界旋流喷射流动机理及其对系统性能的影响开展研究，主要内容和成果有：.1）建立了旋流喷射器性能预测模型，开展了喷射性能、喷射器壁面压力分布和旋流气液分离性能实验，利用实验数据验证改进了上述模型。模型对主流壅塞流量的预测误差在±6.5%以内，对引射比和引射压力的预测误差分别在±8.3%和±3.5%以内，对气液分离性能的预测误差在±7.2%以内，对喷嘴和喷射器壁面压力分布的平均预测误差分别为4.9%和0.9%，模型精度在国内外同类型研究中处于较高水平。.2）结合模型和实验，揭示了CO2旋流喷射相变流动机理：相变过程中两相混合流密度减小、速度增加，直到两相流速达到当地声速时发生壅塞；旋流通过增强湍流扰动，加快空化相变，使喷嘴出口动能增加6.5%，将引射和升压性能分别提高了6.8%和3.6%，膨胀功回收效率提高4.8%。获取了旋流喷射器内部激波形态特征：激波在射流边界层内交叉反射，造成流体速度和压力波动。喷嘴扩张段长度、喷嘴距和混合段直径对喷射器性能影响最大，且存在最优值。.3）自主设计加工了旋流喷射器样件和可视化透明样件，开展了汽车空调CO2跨临界喷射系统性能实验。在汽车空调标准工况下，旋流喷射器可回收8~12%的膨胀功，使系统制冷量和COP分别提高6.6~9.8%和6.1~13.9%。明确了CO2充注量对常规系统和喷射系统性能的影响：当出现稳定的充注量平台期时系统性能最优。结合可视化实验和模型明确了回油孔径对回油和气液分离性能的影响规律：减小回油孔径可降低极限回油率，并显著提高极限出口干度，有利于系统干度控制和效率提升。在此基础上提出了回油孔径的设计方法，改进了旋流气液分离器结构设计，有利于喷射循环性能提升。.研究结果丰富了CO2跨临界系统及喷射循环理论，为汽车空调CO2旋流喷射器单体与喷射系统优化设计提供借鉴，有助于推动CO2环保制冷剂和喷射式CO2空调系统在车用领域的应用。