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1、 超声雾化冷却系统换热研究 鞠冉 任坤 陈鑫摘 要：超声雾化冷却系统利用超声振动的能量使冷却介质雾化，并加注到熱源表面进行强化换热。汽雾介质从雾化喷头喷射出去后，一直受到超声声场的作用，因此与直接射流冷却的换热效果会不同。对雾化冷却系统进行换热模拟，分析其换热能力。搭建换热实验平台，利用电加热模拟热源，进行超声雾化冷却实验，对超声汽雾冷却换热效果进行验证。研究表明超声雾化冷却系统具有较强的换热能力。关键词：超声振动；雾化冷却；强化换热：TB559 ：B ：1671-2064（2018）15-0082-02在机械精密加工中，用超声雾化技术实现加工过程冷却不但可以充分发挥冷却液的作用，提高冷却效果
2、，而且可以减少冷却液的用量，实现准绿色加工1。为了保证良好的冷却效果，冷却介质需要有效的进入加工区并与热源进行充分的热交换。根据精密加工中对冷却的要求，冷却液从供液管道输送到振子的前端，在超声振动作用下通过圆盘上的微孔，在圆盘的外端面被雾化后喷出。这一结构可以实现大功率输出和高频振动，且雾化后的冷却介质颗粒大小均匀，雾化指向性强，从而能够满足加工过程雾化冷却的需要2-3。基于以上背景，开展了对超声振动雾化冷却系统的换热能力研究。1 超声雾化冷却系统换热模拟研究1.1 模拟对象及边界条件设置数值模拟时，建立模型分析采用多相模型中的euler模型，仿真模型及边界条件设置如图1所示，底部为模拟热源部
3、分，喷嘴为正上方中间位置，为速度入口，计算区域其他为压力出口，压力大小为标准大气压，热源部分，只有表面参与换热，其余表面均为绝热，设定上表面换热系数并进行数值计算。模拟过程中计算流体区域尺寸为100mm20mm，solid区域尺寸为100mm5mm，入口为速度入口，直径为8mm，即喷嘴直径。模拟初始将热源温度设定为1073k、冷却介质初始温度设定为300k，雾化后的汽雾体积分数为0.84-7。1.2 模拟结果及分析系统工作频率65.7kHz，雾化初速度=9.9m/s。首先模拟无超声振动时，普通雾化射流冷却方式下的热源表面温度场变化。图2为汽雾喷射到热源表面初始时刻温度变化云图，可以看出汽雾到达
4、热源表面迅速参与冷却换热，钢板瞬间淬冷，钢板上表面与入口垂直的地方最先降温，随后向横向以及径向两个方向渗透。计算流体区域的速度分度云图如图3所示，流场分布均匀规律。迭代1s之后，钢板温度变化如图4a）所示。由图4a）可以得到汽雾冷却降温效果非常明显，短时间内温度下降了175k。在其他条件均不改变的情况下，冷却方式改为超声振动雾化冷却。超声声场作用于空气场，因此气相速度不再是恒定值，而是超声振动的正弦变化值，超声改变气相速度，从而对液相的汽雾颗粒也会产生影响，并作用于换热表面。编写UDF程序，对射流气相速度进行指定，模拟计算结果如图4b）所示。对比图4的a）与b）可以发现，在同样条件下，都迭代1
5、s之后，在超声振动的声场作用下，热源表面的最高温度降到了531k，而无超生振动的最高温度仅仅降到了769k，超声振动雾化冷却系统具有更强的换热能力。2 超声雾化冷却系统换热实验研究为了分析超声对汽雾冷却统换热的影响，搭建了如图5所示实验平台，进行换热实验研究。超声雾化冷却系统实物及雾化效果如图6所示。模拟热源采用电加热形式，试件为紫铜棒，为保证其一维导热特性，在紫铜棒四周包裹10mm厚的硅酸棉进行保温，使其与外部环境绝热。在距离热源表面2mm、7mm、12mm处布置三层直径为0.8mm的K型热电偶，且每层布置的热电偶间隔为120。为得到温度沿直径方向的温度分布情况，每层的三个热电偶插入试件的深
6、度不同，试件上表面直径为12mm，所布置的三个热电偶插入深度分别为2mm、4mm、6mm。试件底部以碳硅棒为加热热源，温度用动态信号分析仪进行实时采集。为节省测试时间，对试件加热的过程中，先不开启超声电源，只进行纯水射流冷却，待试件表面达到热平衡后，开启超声电源，进行超声雾化冷却实验，当试件表面温度再次达到热平衡后，记录温度数据。 对不同流量及超声声功率下的稳态换热进行热平衡温度测试，测试结果如图7和8所示。分析图7及图8，增大流量有助于降低温度，因为流量增大，参与换热的汽雾增多，可快速降低温度；增大声功率，相当于提升了汽雾的初速度，汽雾到达热源表面的动能增大，有助于降低温度。3 结语基于超声
7、振动雾化理论，对普通雾化冷却模式和超声振动雾化冷却模式进行模拟分析，得到两种冷却方式的温度变化云图，模拟结果表明超声振动雾化冷却的换热能力远远大于普通汽雾冷却。对超声振动雾化冷却系统进行换热实验研究，结果表明，增大流量，参与换热的汽雾增多，可快速降低温度；增大声功率，相当于提升了汽雾的初速度，汽雾到达热源表面的动能增大，有助于降低温度。对超声振动雾化冷却系统强化换热能力的的研究结果，对今后冷却系统应用于实际加工过程的换热冷却具有重要意义。参考文献1袁巨龙，王志伟，文东辉，等.超精密加工现状综述J.机械工程学报，2007，43（1）：35-48.2李华，任坤，殷振，等.纵弯转换超声振动雾化系统的
8、雾化特性研究J.中国机械工程，2015，26（4）：446-451.3李华，任坤，殷振，等.纵弯转换超声振动雾化系统的振动特性与设计研究J.振动工程学报，2015，28（3）：462-468.4芦秋敏，雷树业.雾化喷射冷却的机理及模型研究J.工程热物理学报，2005，26（5）：817-819.5王磊，淮秀兰，陶毓伽，等.喷雾冷却中微液滴碰撞薄液膜的流动与换热J.工程热物理学报，2010，31（6）：987-990.6陈东芳，唐大伟，胡学功.流量、换热表面方向对光滑表面喷雾冷却的影响J.中国工程热物理学报，2010，（7）：1167-1170.7CHEN Hua，CHENG Wenlong. Experimental Study on Optimal Spray Parameters of Piezoelectric Atomizer Spray CoolingJ.International Journal of Heat and Mass Transfer，2016，103：57-65.中国科技纵横2018年15期中国科技纵横的其它文章地籍数据库系统在集体土地使用权中的应用分析城轨车辆辅助供电系统交叉并网供电模式的探讨鸟类雄性亲本的行为地铁工程中深基坑降排水施工技术分析多轴伺服运动控制的应用济宁港某作业区14#泊位靠泊能力论证 -全文完-
