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

中图分类号：TB559 文献标识码：B 文章编号：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，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100mm×20mm，solid区域尺寸为100mm×5mm，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0.8[4-7]。

1.2 模拟结果及分析

系统工作频率65.7kHz，雾化初速度ν=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1s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.

[7]CHEN Hua，CHENG Wenlong. Experimental Study on Optimal Spray Parameters of Piezoelectric Atomizer Spray Cooling[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2016，103：57-65.