超聲霧化冷卻系統換熱研究

鞠冉 任坤 陳鑫

摘 要：超聲霧化冷卻系統利用超聲振動的能量使冷卻介質霧化，并加注到熱源表面進行強化換熱。汽霧介質從霧化噴頭噴射出去后，一直受到超聲聲場的作用，因此與直接射流冷卻的換熱效果會不同。對霧化冷卻系統進行換熱模擬，分析其換熱能力。搭建換熱實驗平臺，利用電加熱模擬熱源，進行超聲霧化冷卻實驗，對超聲汽霧冷卻換熱效果進行驗證。研究表明超聲霧化冷卻系統具有較強的換熱能力。

關鍵詞：超聲振動；霧化冷卻；強化換熱

中圖分類號：TB559 文獻標識碼：B 文章編號：1671-2064（2018）15-0082-02

在機械精密加工中，用超聲霧化技術實現加工過程冷卻不但可以充分發揮冷卻液的作用，提高冷卻效果，而且可以減少冷卻液的用量，實現準綠色加工[1]。為了保證良好的冷卻效果，冷卻介質需要有效的進入加工區并與熱源進行充分的熱交換。根據精密加工中對冷卻的要求，冷卻液從供液管道輸送到振子的前端，在超聲振動作用下通過圓盤上的微孔，在圓盤的外端面被霧化后噴出。這一結構可以實現大功率輸出和高頻振動，且霧化后的冷卻介質顆粒大小均勻，霧化指向性強，從而能夠滿足加工過程霧化冷卻的需要[2-3]。基于以上背景，開展了對超聲振動霧化冷卻系統的換熱能力研究。

1 超聲霧化冷卻系統換熱模擬研究

1.1 模擬對象及邊界條件設置

數值模擬時，建立模型分析采用多相模型中的euler模型，仿真模型及邊界條件設置如圖1所示，底部為模擬熱源部分，噴嘴為正上方中間位置，為速度入口，計算區域其他為壓力出口，壓力大小為標準大氣壓，熱源部分，只有表面參與換熱，其余表面均為絕熱，設定上表面換熱系數并進行數值計算。模擬過程中計算流體區域尺寸為100mm×20mm，solid區域尺寸為100mm×5mm，入口為速度入口，直徑為8mm，即噴嘴直徑。模擬初始將熱源溫度設定為1073k、冷卻介質初始溫度設定為300k，霧化后的汽霧體積分數為0.8[4-7]。

1.2 模擬結果及分析

系統工作頻率65.7kHz，霧化初速度ν=9.9m/s。首先模擬無超聲振動時，普通霧化射流冷卻方式下的熱源表面溫度場變化。圖2為汽霧噴射到熱源表面初始時刻溫度變化云圖，可以看出汽霧到達熱源表面迅速參與冷卻換熱，鋼板瞬間淬冷，鋼板上表面與入口垂直的地方最先降溫，隨后向橫向以及徑向兩個方向滲透。計算流體區域的速度分度云圖如圖3所示，流場分布均勻規律。迭代1s之后，鋼板溫度變化如圖4a）所示。由圖4a）可以得到汽霧冷卻降溫效果非常明顯，短時間內溫度下降了175k。在其他條件均不改變的情況下，冷卻方式改為超聲振動霧化冷卻。超聲聲場作用于空氣場，因此氣相速度不再是恒定值，而是超聲振動的正弦變化值，超聲改變氣相速度，從而對液相的汽霧顆粒也會產生影響，并作用于換熱表面。編寫UDF程序，對射流氣相速度進行指定，模擬計算結果如圖4b）所示。

對比圖4的a）與b）可以發現，在同樣條件下，都迭代1s之后，在超聲振動的聲場作用下，熱源表面的最高溫度降到了531k，而無超生振動的最高溫度僅僅降到了769k，超聲振動霧化冷卻系統具有更強的換熱能力。

2 超聲霧化冷卻系統換熱實驗研究

為了分析超聲對汽霧冷卻統換熱的影響，搭建了如圖5所示實驗平臺，進行換熱實驗研究。超聲霧化冷卻系統實物及霧化效果如圖6所示。模擬熱源采用電加熱形式，試件為紫銅棒，為保證其一維導熱特性，在紫銅棒四周包裹10mm厚的硅酸棉進行保溫，使其與外部環境絕熱。在距離熱源表面2mm、7mm、12mm處布置三層直徑為0.8mm的K型熱電偶，且每層布置的熱電偶間隔為120°。為得到溫度沿直徑方向的溫度分布情況，每層的三個熱電偶插入試件的深度不同，試件上表面直徑為12mm，所布置的三個熱電偶插入深度分別為2mm、4mm、6mm。試件底部以碳硅棒為加熱熱源，溫度用動態信號分析儀進行實時采集。為節省測試時間，對試件加熱的過程中，先不開啟超聲電源，只進行純水射流冷卻，待試件表面達到熱平衡后，開啟超聲電源，進行超聲霧化冷卻實驗，當試件表面溫度再次達到熱平衡后，記錄溫度數據。 對不同流量及超聲聲功率下的穩態換熱進行熱平衡溫度測試，測試結果如圖7和8所示。

分析圖7及圖8，增大流量有助于降低溫度，因為流量增大，參與換熱的汽霧增多，可快速降低溫度；增大聲功率，相當于提升了汽霧的初速度，汽霧到達熱源表面的動能增大，有助于降低溫度。

3 結語

基于超聲振動霧化理論，對普通霧化冷卻模式和超聲振動霧化冷卻模式進行模擬分析，得到兩種冷卻方式的溫度變化云圖，模擬結果表明超聲振動霧化冷卻的換熱能力遠遠大于普通汽霧冷卻。對超聲振動霧化冷卻系統進行換熱實驗研究，結果表明，增大流量，參與換熱的汽霧增多，可快速降低溫度；增大聲功率，相當于提升了汽霧的初速度，汽霧到達熱源表面的動能增大，有助于降低溫度。對超聲振動霧化冷卻系統強化換熱能力的的研究結果，對今后冷卻系統應用于實際加工過程的換熱冷卻具有重要意義。

參考文獻

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