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超声雾化冷却系统换热研究

2018-08-29鞠冉任坤陈鑫

中国科技纵横 2018年15期

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

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[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.

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