劉素娟，任　坤

（1.河南工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 415007；2.蘇州科技大學(xué)，江蘇 蘇州 215009）

超聲霧化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、工業(yè)等各個(gè)方面，利用超聲霧化的方式實(shí)現(xiàn)精密加工過(guò)程中的冷卻，可在滿足冷卻效果的基礎(chǔ)上減少冷卻液用量，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)綠色加工[1]。目前常用的超聲霧化方式一般為縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)。縱向振動(dòng)雖輸出功率較大但難以實(shí)現(xiàn)高頻振動(dòng)；彎曲振動(dòng)雖可以實(shí)現(xiàn)高頻振動(dòng)，降低霧化顆粒粒徑但難以實(shí)現(xiàn)大功率輸出[2-5]。霧化后的冷卻介質(zhì)必須有效進(jìn)入加工區(qū)并與熱源進(jìn)行充分的熱量交換才能實(shí)現(xiàn)精密加工冷卻。根據(jù)精密加工中對(duì)冷卻換熱的要求，提出將縱振與彎曲振動(dòng)結(jié)合的縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)霧化方式，可充分利用二者的優(yōu)點(diǎn)，滿足精密加工過(guò)程對(duì)冷卻換熱的要求[6-7]。設(shè)計(jì)的新型超聲霧化振子結(jié)構(gòu)，如圖1所示。基于以上背景及要求，開(kāi)展了對(duì)縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)霧化冷卻系統(tǒng)的換熱能力研究[8-11]。見(jiàn)圖2.

圖1　超聲振動(dòng)霧化系統(tǒng)振子結(jié)構(gòu)

圖2　霧化效果

1　超聲振動(dòng)霧化冷卻系統(tǒng)強(qiáng)化換熱模擬研究

1.1　模擬對(duì)象及邊界條件設(shè)置

數(shù)值模擬時(shí)，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(shè)置如圖3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(jì)算區(qū)域其他為壓力出口，壓力大小為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，熱源部分，只有表面參與換熱，其余表面均為絕熱，設(shè)定上表面換熱系數(shù)并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。模擬過(guò)程中計(jì)算流體區(qū)域尺寸為100 mm×20 mm，solid區(qū)域尺寸為100 mm×5 mm，入口為速度入口，直徑為8 mm，即噴嘴直徑。模擬初始將熱源溫度設(shè)定為1 073 K、冷卻介質(zhì)初始溫度設(shè)定為300 K，霧化后的汽霧體積分?jǐn)?shù)為0.8[12]。

圖3　數(shù)值計(jì)算模型及邊界條件設(shè)置

1.2　模擬結(jié)果及分析

系統(tǒng)工作頻率65.7 kHz，數(shù)值分析初始速度ν=9.9 m/s.數(shù)值分析采取對(duì)比分析，研究超聲對(duì)冷卻換熱的影響。數(shù)值模擬分為兩部分，無(wú)超聲影響下汽霧換熱能力分析及在超聲聲場(chǎng)作用下的汽霧換熱能力分析。圖4為汽霧噴射到熱源表面初始時(shí)刻溫度變化云圖，冷卻介質(zhì)到達(dá)熱源表面立即參與換熱，冷卻介質(zhì)最先到達(dá)的區(qū)域率先降溫，隨著冷卻介質(zhì)流量的增加，霧化后的冷卻介質(zhì)在熱源表面鋪展，形成液膜，整個(gè)熱源表面開(kāi)始降溫。提取模擬結(jié)果中的速度分度云圖如圖5所示，可以看出流場(chǎng)分布均勻規(guī)律，由于流量增加，在噴嘴正下方形成積聚，所以噴嘴正下方熱源表面處速度最小，從流場(chǎng)分布也可看出，冷卻介質(zhì)到達(dá)熱源表面后迅速鋪展并參與換熱。為了得到超聲對(duì)換熱的影響，采取單因素對(duì)比分析，即在其他條件均不改變的情況下，在普通汽霧冷卻的基礎(chǔ)上增加超聲振動(dòng)。由于超聲聲場(chǎng)是一個(gè)交變的過(guò)程，對(duì)初始速度進(jìn)行User Defined Function編程，無(wú)超聲作用及超聲聲場(chǎng)作用下的模擬結(jié)果如圖6a及圖6b所示。

圖4　冷卻初始時(shí)刻溫度變化云圖

圖5　速度分布云圖

對(duì)比圖6的a與b可以發(fā)現(xiàn)，在其他參數(shù)相同的條件下，有超聲聲場(chǎng)作用下，熱源表面的最高溫度從1 073 K下降到531 K，而無(wú)超生作用下僅僅下降到769 K，二者相差238 K，說(shuō)明超聲聲場(chǎng)作用下，可加速冷卻介質(zhì)的強(qiáng)化換熱能力。

圖6　迭代1s時(shí)熱源溫度分布云圖

2　冷卻系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)換熱模擬分析

確定霧化冷卻參數(shù)，采用電加熱模擬熱源的方式進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)換熱模擬分析，可以得到不同加熱功率即不同熱流密度條件下的穩(wěn)態(tài)熱平衡溫度，根據(jù)模擬的十組數(shù)據(jù)繪制熱流密度與穩(wěn)態(tài)熱平衡溫度關(guān)系曲線，模擬條件及結(jié)果如表1所示，繪制的曲線如圖7所示，曲線的斜率就是熱源表面換熱系數(shù)。由表1和圖7的模擬結(jié)果可以看出，隨著熱流密度的增加，穩(wěn)態(tài)熱平衡溫度并未明顯增大，但由十組數(shù)據(jù)擬合的曲線斜率較大，而斜率所代表的就是換熱系數(shù)，計(jì)算曲線斜率可以發(fā)現(xiàn)縱彎復(fù)合霧化模式下的換熱系數(shù)達(dá)到了0.2 W/mm2·℃，幾乎是池內(nèi)欠熱沸騰換熱系數(shù)的十幾倍，換熱能力極強(qiáng)。見(jiàn)圖8.

表1　不同熱流密度下的熱平衡溫度

圖7　熱流密度與熱平衡溫度關(guān)系曲線

圖8　中心剖面溫度分布云圖

3　不同聲參數(shù)下?lián)Q熱模擬分析

為研究超聲振動(dòng)聲參數(shù)的振幅及頻率對(duì)換熱能力的影響，分別進(jìn)行了不同振幅及頻率的換熱模擬。為方便觀察溫度變化，提取熱源中心剖面溫度變化云圖，如圖8所示。取熱源上表面中心點(diǎn)溫度作為分析研究參考點(diǎn)，分析不同聲參數(shù)下的換熱能力。模擬分析時(shí)同樣采取單因素對(duì)比分析法，結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9　不同振幅值下的溫度值

圖10　不同頻率下的溫度值

圖9中，振幅值增大溫度持續(xù)降低，但當(dāng)振幅達(dá)到35 μm時(shí)，溫度又開(kāi)始升高，造成這種結(jié)果的原因是振幅的變化相當(dāng)于計(jì)算初始入口速度的變化，當(dāng)入口速度增大，汽霧到達(dá)熱源表面時(shí)具有更大的動(dòng)能可加速熱量的交換，且汽霧到達(dá)熱源表面后在聲場(chǎng)作用下，成核以及破碎的速度加快，從而加速熱量的交換。當(dāng)振幅增加到一定值時(shí)，汽霧顆粒在未完全參與換熱即被沖離熱源表面，故而溫度不僅不降反而升高。圖10中，頻率增加，相當(dāng)于霧化后的汽霧顆粒粒徑減小，霧粒減小后與熱源接觸時(shí)蒸發(fā)速度加快，從而在相同時(shí)間內(nèi)帶走的熱量增大。

4　結(jié)束語(yǔ)

基于超聲振動(dòng)霧化理論，分別分析了有無(wú)超聲聲場(chǎng)作用下的汽霧換熱能力，得到有無(wú)聲場(chǎng)作用下的溫度變化云圖，模擬結(jié)果表明有超聲聲場(chǎng)作用下汽霧的換熱能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通汽霧冷卻。對(duì)超聲振動(dòng)霧化冷卻系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)換熱模擬，提取換熱系數(shù)，模擬結(jié)果表明超聲振動(dòng)霧化冷卻的換熱系數(shù)達(dá)到了0.2 W/mm2·℃，是池內(nèi)欠熱沸騰換熱的十幾倍，換熱能力極強(qiáng)。對(duì)不同聲參數(shù)進(jìn)行換熱模擬，當(dāng)振幅增大時(shí)有利于提高換熱能力，但當(dāng)振幅增大到一定值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致霧化后的霧粒未完全參與換熱被沖離換熱面導(dǎo)致?lián)Q熱變效果開(kāi)始變差；增大超聲振動(dòng)的頻率，降低了霧化的霧粒粒徑，有助于提高換熱能力。對(duì)超聲振動(dòng)霧化冷卻系統(tǒng)強(qiáng)化換熱能力的的研究結(jié)果，對(duì)今后冷卻系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際加工過(guò)程的換熱冷卻具有重要意義。