球面聚焦超聲輔助汽霧冷卻系統(tǒng)換熱特性研究

曹 洋 李 華 任 坤 劉素娟 王中旺

1.蘇州科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，蘇州，215000 2.河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州，450000

0 引言

汽霧作為冷卻介質(zhì)具有很大的臨界熱流密度［1］，與普通水流冷卻相比，汽霧具有更高的表面自由度和更大的表面張力，可提高冷卻液的使用效率，減少冷卻液消耗，有利于環(huán)境保護(hù)，因而在機(jī)械加工中具有廣泛的應(yīng)用前景。在精密磨削加工中，砂輪表面高速旋轉(zhuǎn)而帶動(dòng)周圍氣體流動(dòng)，在砂輪與試件之間的楔形區(qū)域產(chǎn)生了高壓區(qū)，稱為“氣障”，因霧粒質(zhì)量很小，易受到外界氣流的干擾而改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及影響冷卻效果，所以如何使霧粒到達(dá)磨削加工區(qū)域是實(shí)現(xiàn)高效冷卻的關(guān)鍵。本文將超聲霧化器和超聲聚焦器結(jié)合，提出一種一體式球面聚焦超聲汽霧冷卻系統(tǒng)，并主要針對(duì)該冷卻系統(tǒng)的換熱特性進(jìn)行研究。

1 球面聚焦超聲汽霧冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理

球面聚焦超聲汽霧冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)由聚焦霧化器、供液系統(tǒng)、超聲電源構(gòu)成。聚焦霧化器由夾心式換能器驅(qū)動(dòng)，前端帶有階梯式變幅桿，變幅桿最前端連接聚焦球殼。冷卻液從聚焦霧化器后端進(jìn)入，從前方徑向噴嘴向球面噴出。依據(jù)超聲振動(dòng)理論［2］和超聲霧化理論［3］，由壓電陶瓷產(chǎn)生的縱向超聲振動(dòng)可轉(zhuǎn)換為球面的彎曲振動(dòng)，彎曲超聲振動(dòng)將冷卻液轉(zhuǎn)化為汽霧狀態(tài)，利用球面結(jié)構(gòu)將汽霧匯聚到指定的換熱位置，同時(shí)利用球面超聲聚焦將聲能集中在該換熱位置（聲場焦區(qū)），使聲能沖擊“氣障”，可減小“氣障”對(duì)汽霧的干擾，一部分聲能轉(zhuǎn)化為汽霧動(dòng)能，進(jìn)而達(dá)到了突破“氣障”的目的。系統(tǒng)汽霧效果見圖2。系統(tǒng)的主要參數(shù)見表1，其中，汽霧量表示單位時(shí)間內(nèi)消耗冷卻液的量。

圖1 聚焦超聲汽霧冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the spherical focused ultrasound assisted ultrasonic atomizing cooling system

圖2 汽霧效果Fig.2 The focused mists effects

表1 聚焦超聲汽霧冷卻系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 The parameter of the cooling system

2 聚焦汽霧冷卻的換熱特性模擬分析

基于FLUENT二相流模型模擬汽霧噴離球面以后到試件表面參與換熱的過程，數(shù)值傳熱模型包括冷卻液形成的液膜與試件表面之間的流動(dòng)換熱以及試件內(nèi)部的導(dǎo)熱。液膜流動(dòng)換熱數(shù)值模擬的計(jì)算須同時(shí)滿足連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。由于汽霧匯聚時(shí)水和空氣存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，故滑移函數(shù)和阻力函數(shù)對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性會(huì)有一定影響。本文將汽霧看作水和空氣的混合物，汽霧模型采用二相流Mixture模型，試件表面液膜湍流模型選用k-ε模型，并采用隱式求解方法，以保證收斂的穩(wěn)定性，壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法。建立球面前方區(qū)域模型，設(shè)定球面為汽霧速度入口，汽霧進(jìn)入流場的初速度為2.85m/s，將試件底部保持恒溫，試件側(cè)面絕熱，只有試件上表面參與換熱，假設(shè)冷卻液全部霧化，依據(jù)表2參數(shù)，求解不同試件與球面距離條件下的穩(wěn)態(tài)溫度。

表2 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)定Tab.2 The numerical simulation setup

圖3所示為數(shù)值模擬效果，可以看出，在球面超聲振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)下，液體霧化并以一定的初始速度離開球面向焦區(qū)匯聚，在焦區(qū)內(nèi)汽霧體積分?jǐn)?shù)最大、壓力較大。汽霧匯聚后到達(dá)試件上表面參與換熱，在試件表面中心區(qū)域內(nèi)，由于汽霧不易向外圍流動(dòng)而形成高壓區(qū)，故在高壓區(qū)內(nèi)汽霧速度小、體積分?jǐn)?shù)大。設(shè)定球面底面中心點(diǎn)到試件表面的距離為l。圖4所示為數(shù)值模擬計(jì)算得到的試件中心溫度Tc與l的關(guān)系。由圖4可以看出，當(dāng)試件位于汽霧焦區(qū)位置（l=50 mm）時(shí)，汽霧焦區(qū)的高壓區(qū)和試件表面中心高壓區(qū)重合，此時(shí)試件表面中心溫度最低。圖5所示為數(shù)值模擬計(jì)算得到的不同距離l情況下試件表面溫度的分布情況，設(shè)定試件表面點(diǎn)到中心點(diǎn)（原點(diǎn)）的距離為s。由圖5可以看出，當(dāng)l小于汽霧焦區(qū)到球面的距離（l＜50 mm）時(shí)，隨著l的增大，汽霧到達(dá)換熱表面的位置與中心點(diǎn)的距離逐漸減小，試件表面溫度最低點(diǎn)逐漸向中心點(diǎn)靠近；當(dāng)試件位于汽霧焦區(qū)位置（l=50 mm），由于試件中心高壓區(qū)的存在，對(duì)汽霧產(chǎn)生反壓作用，汽霧徑向向外的分速度增大，則汽霧實(shí)際沖擊液膜的位置偏離中心區(qū)域，導(dǎo)致試件中心區(qū)域（s＜5 mm）溫度明顯高于周圍區(qū)域（5 mm＜s＜15 mm）溫度；當(dāng)試件遠(yuǎn)離汽霧焦區(qū)后（l＞50 mm），汽霧速度逐漸減小，試件表面溫度整體較高。

3 聚焦超聲汽霧冷卻的穩(wěn)態(tài)換熱試驗(yàn)研究

圖3FLUENT仿真結(jié)果Fig.3 The FLUENT simulation results

圖4 試件表面中心溫度（數(shù)值模擬）Fig.4 The surface center temperature of specimens（numerical simulation）

圖5 試件表面溫度分布（數(shù)值模擬）Fig.5 The surface temperature distribution of specimens（numerical simulation）

圖6 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.6 The experimental system

數(shù)值仿真結(jié)果主要模擬了聚焦汽霧作用下冷卻系統(tǒng)的換熱特性，為了分析聚焦超聲對(duì)冷卻系統(tǒng)換熱特性的影響，本文進(jìn)行了平面熱源條件下的穩(wěn)態(tài)換熱試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)見圖6。試件材料為鋁，其熱導(dǎo)率為237 W/（m·K），對(duì)試件底部進(jìn)行恒溫加熱，在試件和外殼之間填充隔熱層，在隔熱層頂端使用防水層，在防水層和試件之間進(jìn)行密封，以保證冷卻液不會(huì)滲入隔熱層，并確保只有試件上表面參與換熱。在試件表面下方3mm處的四周分別開不同深度的孔，用于安裝K型熱電偶，測(cè)定試件表面點(diǎn)到中心點(diǎn)不同距離s的溫度，K型熱電偶測(cè)溫前經(jīng)過標(biāo)定，確保在233～648 K之間的測(cè)溫誤差在-1.5～1.5 K以內(nèi)。熱電偶連接動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀用于采集溫度信號(hào)，聚焦霧化器后端連接定量冷卻液供給系統(tǒng)，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)室溫度為283 K，對(duì)試件進(jìn)行恒溫加熱，無冷卻條件下中心熱平衡溫度為370 K，距離試件邊緣5 mm處熱平衡溫度為369.6 K，誤差較小，滿足試驗(yàn)要求。

試驗(yàn)中對(duì)試件加熱，在恒溫加熱狀態(tài)下進(jìn)行聚焦超聲汽霧冷卻，控制汽霧量為3 mL/s，調(diào)整試件與球面的距離l，待整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后同時(shí)測(cè)量不同距離s的溫度，得到聚焦超聲和聚焦汽霧雙重作用下試件表面溫度隨l增大的變化規(guī)律。圖7所示為試驗(yàn)得到的試件中心溫度Tc與l的關(guān)系，可以看出，當(dāng)試件位于球面前方50 mm處時(shí)中心點(diǎn)溫度最低，該結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致。圖8所示為不同距離條件下試件表面的溫度分布情況，可以看出，當(dāng)試件位于球面前方50 mm位置時(shí)，試件中心區(qū)域（s＜5 mm）溫度與周圍區(qū)域（5 mm＜s＜15 mm）溫度相接近。

4 分析與討論

4.1 聚焦汽霧對(duì)換熱的影響

圖7 試件表面中心溫度（試驗(yàn)）Fig.7 The surface center temperature of specimens（experiment）

圖8 試件表面溫度分布（試驗(yàn)）Fig.8 The surface temperature distribution of specimens（experiment）

汽霧到達(dá)試件表面會(huì)聚集形成液膜，試件表面溫度低于冷卻液沸點(diǎn)，則液膜中無氣泡產(chǎn)生，而液膜流動(dòng)過程中底部始終與試件表面接觸，所以核態(tài)沸騰換熱和液膜的蒸發(fā)散熱不是主要換熱因素；汽霧會(huì)對(duì)液膜造成沖擊和擾動(dòng)，進(jìn)而在液膜中形成對(duì)流，所以液膜與試件表面的強(qiáng)迫對(duì)流換熱和液膜內(nèi)部導(dǎo)熱才是主要的換熱方式。將汽霧看作微小液滴［4］，在球面超聲振動(dòng)的作用下液滴以一定動(dòng)能向焦區(qū)匯聚，當(dāng)單顆微小液滴接觸液膜表面時(shí)，首先在液滴接觸區(qū)產(chǎn)生波動(dòng)，并向遠(yuǎn)處傳遞，且液膜流動(dòng)狀態(tài)很快由層流變?yōu)橥牧鳎旱闻c液膜接觸區(qū)中心點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生上下振動(dòng)，使得液滴動(dòng)能轉(zhuǎn)化為液膜波動(dòng)的能量。若液滴動(dòng)能小于穿透液膜所需的臨界動(dòng)能，則熱量散失的主要方式是液滴沖擊液膜而造成液膜產(chǎn)生的波動(dòng)［5］，此波動(dòng)會(huì)增強(qiáng)液膜與試件之間的對(duì)流換熱。依據(jù)牛頓碰撞方程和動(dòng)量守恒方程［6］，若增大液滴的動(dòng)能，則會(huì)增大液膜波動(dòng)幅度，當(dāng)液滴動(dòng)能足夠大時(shí)，液滴在增大液膜波動(dòng)的同時(shí)可穿透液膜直接作用于試件上表面參與換熱。采用液滴直接撞擊壁面模型［7］，且液滴與試件的直接作用是一個(gè)碰撞、鋪展、回縮的過程，隨著鋪展過程的進(jìn)行，液滴與試件的接觸面逐漸增大，換熱量在此過程中將達(dá)到最大值。隨后，由于液滴與壁面溫差的減小使得換熱量減小，液滴內(nèi)部壓力場和速度場決定了其與試件的換熱特性，相比于液膜與試件的對(duì)流換熱，液滴與試件的直接作用可進(jìn)一步提高液滴的換熱能力。

當(dāng)l＜50 mm時(shí)，汽霧匯聚到中心區(qū)域之前就已經(jīng)到達(dá)液膜表面，在汽霧撞擊液膜位置形成高壓區(qū)。依據(jù)微小液滴理論，當(dāng)微小液滴撞擊液膜表面時(shí)，撞擊點(diǎn)處的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離撞擊點(diǎn)處的傳熱系數(shù)，導(dǎo)致試件表面的周圍區(qū)域（5 mm＜s＜15 mm）的溫度低于中心區(qū)域（s＜5 mm）溫度。隨著試件與球面距離的增大，微小液滴撞擊液膜的位置逐漸向中心區(qū)域靠近，由汽霧撞擊液膜形成的高壓區(qū)也逐漸向中心高壓區(qū)靠攏，導(dǎo)致試件中心溫度逐漸降低。當(dāng)l=50 mm時(shí)，汽霧撞擊液膜形成的高壓區(qū)和試件中心高壓區(qū)重合，此時(shí)試件表面中心溫度達(dá)到最小值。

當(dāng)l＞50 mm時(shí)，汽霧由球面噴出，在汽霧焦區(qū)匯聚，再到達(dá)試件上表面參與換熱，壓力的分布見圖3c。在焦區(qū)汽霧顆粒之間發(fā)生碰撞，其碰撞的結(jié)果比較復(fù)雜。將汽霧視為具有一定彈性和黏性的微小液滴，依據(jù)O'Rourke隨機(jī)碰撞模型［8］，液滴碰撞結(jié)果分為永久聚合和碰撞分離。在上述兩種情況下液滴碰撞的過程包含彈性碰撞部分和非彈性碰撞部分，其中非彈性碰撞會(huì)造成液滴動(dòng)能的損耗，導(dǎo)致碰撞后的汽霧動(dòng)能小于碰撞之前的動(dòng)能。故當(dāng)l＞50 mm后，試件表面溫度開始升高，且隨著距離的增大，汽霧動(dòng)能逐漸減小，試件表面溫度會(huì)隨著試件與球面距離的增大而升高。

4.2 聚焦超聲對(duì)換熱的影響

當(dāng)l=50 mm時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果（圖5）表明試件中心區(qū)域（s＜5 mm）溫度高于周圍區(qū)域（5 mm＜s＜15 mm）溫度，但穩(wěn)態(tài)換熱試驗(yàn)結(jié)果（圖8）表明試件中心區(qū)域（s＜5 mm）溫度相近于周圍區(qū)域（5 mm＜s＜15 mm）溫度，造成數(shù)值分析與試驗(yàn)結(jié)果不同的原因與聚焦超聲對(duì)換熱效果的影響有關(guān)。基于亥姆霍茲-基爾霍夫聲場積分定理［9］和縱彎轉(zhuǎn)換球面超聲振動(dòng)理論［2］模擬聚焦超聲汽霧冷卻系統(tǒng)軸向聲場強(qiáng)度，如圖9所示。由圖9可以看出，依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，聚焦球殼對(duì)聲能有匯聚作用，導(dǎo)致在聲場焦區(qū)波腹點(diǎn)位置的聲壓較高，汽霧的動(dòng)能在高聲壓的作用下會(huì)增大，當(dāng)聲場波腹點(diǎn)位置與試件中心高壓區(qū)重合時(shí)，高聲壓對(duì)試件中心高壓區(qū)產(chǎn)生沖擊，汽霧隨著沖擊進(jìn)入高壓區(qū)，增大了中心區(qū)域有效參與換熱的汽霧顆粒數(shù)量和汽霧速度，從而有利于中心區(qū)換熱。同時(shí)，在超聲聲場的作用下聲壓對(duì)高壓區(qū)的沖擊是不連續(xù)的，聲壓強(qiáng)度隨時(shí)間的變化滿足正弦函數(shù)。在高頻脈動(dòng)聲壓的周期性沖擊下試件表面中心區(qū)域的壓力不斷變化，并對(duì)液膜產(chǎn)生壓縮和拉伸作用，增強(qiáng)了中心區(qū)域汽霧的湍流擾動(dòng)，減小了中心高壓區(qū)對(duì)汽霧的影響。

圖9 聲壓數(shù)值模擬Fig.9 The numerical simulation of acoustic pressure

為了驗(yàn)證聚焦超聲對(duì)汽霧換熱的影響，使用QSY8116型壓電式聲壓傳感器對(duì)球面軸向聲壓進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)測(cè)定試件表面中心區(qū)域溫度，得到試件表面中心溫度與聲壓的關(guān)系如圖10所示。由圖10可以看出，當(dāng)l＜50 mm時(shí)，由于汽霧未匯聚在中心區(qū)域，導(dǎo)致中心區(qū)域汽霧濃度低、速度小，故聲場對(duì)換熱的影響小；當(dāng)l＞50 mm時(shí)，試件表面中心溫度會(huì)受到聲壓的影響，當(dāng)試件位于聲場波腹點(diǎn)時(shí)，試件表面中心溫度明顯降低，故聚焦超聲有助于強(qiáng)化中心區(qū)換熱。試驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。

圖10 溫度與聲壓的關(guān)系Fig.10 The relations between temperature and acoustic pressure

5 結(jié)語

聚焦超聲汽霧冷卻系統(tǒng)可將汽霧匯聚在汽霧焦區(qū)，當(dāng)換熱面位于汽霧焦區(qū)時(shí)，聚焦汽霧的換熱性能最佳，其換熱表面溫度最低。當(dāng)換熱面位于聚焦超聲的聲壓波腹點(diǎn)時(shí)，聲壓波腹點(diǎn)與換熱面中心高壓區(qū)重合，聚焦超聲會(huì)對(duì)換熱表面中心高壓區(qū)產(chǎn)生周期性沖擊，提高了中心區(qū)汽霧的換熱能力，從而有助于強(qiáng)化中心區(qū)換熱。將聚焦汽霧和聚焦超聲相結(jié)合，可使汽霧有效突破換熱表面高壓區(qū)參與換熱，提高了汽霧利用率，從而實(shí)現(xiàn)了高效冷卻。

［1］ 陳東芳，唐大偉，胡學(xué)功.流量、換熱表面方向?qū)饣砻鎳婌F冷卻的影響［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2010，31（7）：1167-1170.CHEN Dongfang，TANG Dawei，HU Xuegong.Effect of Flow Rate and Plain Surface Orientation on Spray Cooling［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2010，31（7）：1167-1170.

［2］ 李華，任坤，殷振，等.縱彎轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)球面聚焦系統(tǒng)聚焦特性研究［J］.壓電與聲光，2014，36（3）：450-454.LI Hua，REN Kun，YIN Zhen，et al.Study on Sonic Focusing Properties of Ultrasonic Vibration Spherical Focusing System Based on Longitudinal-bending Vibration Conversion［J］.Piezoelectrics&Acoustooptics，2014，36（3）：450-454.

［3］ 曹鳳國.超聲加工［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014：186-188.CAO Fengguo.Ultrasonic Machining［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2014：186-188.

［4］ 王磊，淮秀蘭，陶毓伽，等.噴霧冷卻中微液滴碰撞薄液膜的流動(dòng)與換熱［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2010，31（6）：987-990.WANG Lei，HUAI Xiulan，TAO Yujia，et al.Flow and Heat Transfer of Micro-droplet Impact on Thin Liquid Film during Spray Cooling［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2010，31（6）：987-990.

［5］ 蘆秋敏，雷樹業(yè).霧化噴射冷卻的機(jī)理及模型研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2005，26（5）：817-819.LU Qiumin，LEI Shuye.Study on Mechanisms and Transfer in Spray Model of Heat Cooling［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2005，26（5）：817-819.

［6］ 夏秀文，張新琴，王永江.液滴與液面碰撞對(duì)沖聚合現(xiàn)象研究［J］.井岡山大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)報(bào)），2014，35（6）：21-24.XIAXiuwen，ZHANG Xinqin，WANG Yongjiang.Study on Collision and Coalescence Phenomenon of a Droplet Impacy on Fluid Surface［J］.Journal of Jinggangshan University（Natural Science Edition），2014，35（6）：21-24.

［7］ 陳桂影.液滴撞擊壁面及液膜的接觸特性和換熱特性研［D］.大連：大連理工大學(xué)，2015：28-30.CHEN Guiying.Investigation of Contact Characteristics and Heat Transfer Performance after Droplet Impact onto Wall and Liquid Film［D］.Dalian：Dalian University of Technology，2015：28-30.

［8］ 魏明銳，文華，劉永長，等.噴霧過程液滴碰撞模型研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2005，23（6）：518-523.WEI Mingrui，WEN Hua，LIU Yongchang，et al.Modeling Study on Droplets Collision in Spray Process［J］.Transactions of CSICE，2005，23（6）：518-523.

［9］ 張德俊.高強(qiáng)度聚焦超聲換能器［J］.中國超聲診斷雜志，2000，1（2）：1-4.ZHANG Dejun.High-intensity Focused Ultrasound Transducer［J］.Chinese Journal of Ultrasound Diagnosis，2000，1（2）：1-4.