超声汽雾冷却系统强化换热稳态模拟研究

任坤　刘素娟

摘 要：超声汽雾冷却系统利用超声振动的能量使冷却介质雾化，并加注到热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。对汽雾冷却系统进行稳态换热模拟，分析其换热能力。研究表明超声汽雾冷却系统具有较强的换热能力。

关键词：纵弯复合；超声振动；雾化冷却；强化换热

中图分类号：TB559 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）09-0149-03

1 引言

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]。根据振动雾化系统的结构和工作原理不同，目前采用的雾化振子大致可分为两类，一类是利用纵向振动实现雾化，这种方式可以实现大功率的驱动，系统的可靠性高，但难以实现高频振动，因此雾化的汽雾颗粒较大；另一类是利用圆盘的弯曲振动或厚度振动模式使液体的液面实现雾化[2-5]，这种方法可以实现高频振动，气雾的颗粒小，但难以实现大功率的驱动，并且气雾形成后多以自由状态漂浮。

在精密加工中，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，提出采用纵弯转换模式的新型超声雾化振子结构，如图1（b）所示。其中1是夹心式纵向振动换能器，2是雾化盘，3是中心供液管路。雾化圆盘呈圆筒型，与纵向振子的端部以螺纹连接，圆筒的底部为薄壁弯曲振动圆盘。雾化盘与纵向换能器螺纹联结后成为一个整体，振子的纵向振动被转换成圆盘的轴对称弯曲振动，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，综合了夹心式纵向振动系统和圆盘弯曲振动系统的优点，从而能够满足加工过程雾化冷却的需要[6-7]。基于以上背景及要求，开展了对纵弯复合超声振动雾化冷却系统的换热能力研究[8-12]。

2 超声汽雾冷却系统强化换热模拟研究

利用FLUENT建立热源模型并进行数值模拟分析，根据模拟结果的温度场分布云图，对比普通雾化冷却与超声振动雾化冷却的降温效果。

2.1 模拟对象及边界条件设置

由于汽雾所占体积分数较大，故将汽雾与空气看做一个整体，采用多相模型中的euler模型。对汽雾冷却平面热源建立仿真模型，为使求解迅速方便，模型简化为二维模型，结构如图3所示，计算流体区域的几何尺寸为100mm×20mm，固体尺寸为100mm×5mm，雾化端面进行激光打微孔加工，因此喷嘴直径为微孔所占圆面直径，为8mm。图4中，上端中心处为冷却液喷射口，左右两边以及上边除去中心喷嘴处均为压力出口。边界条件设置为：（1）喷射入口为速度进口，并假设喷雾流垂直方向的速度分布均匀。（2）出口选定为压力出口，出口压力值为标准大气压，即101325Pa。（3）钢板的上表面为無滑移、耦合边界条件，其他面取无滑移、绝热边界条件。为使计算结果更准确，划分网格时对计算流体区域进行网格细化。热源初始温度设定为1073k、汽雾温度设定为300k，空气的体积体积分数设定为0.2。混合对流换热模型采用Fluent中分离求解器、非稳态一阶隐式差分格式、考虑滑移速度以及隐式体积力，湍流模型采用Realizable k-ε双方程求解。

2.2 模拟结果及分析

系统工作频率65.7kHz，雾化表面振幅24μm，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。初始化条件选取速度进口为迭代运算起始处，打开残差监视窗口，迭代时间步距为0.1s，每个时间步计算20次。图4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5所示，流畅分布均匀规律。迭代1s之后，钢板温度变化如图6a）所示。由图6a）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6b）所示。

对比图6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。

3 超声振动汽雾冷却系统稳态换热模拟分析

确定雾化冷却介质的参数，对热源钢板施加恒定功率的加热方式，进行聚焦超声汽雾冷却稳态换热数值模拟分析，可以得到不同加热功率条件下的稳态热平衡温度，从而建立热流密度与温度之间的关系，又因为热流密度与单位时间的平衡温度的比值就是该条件下的换热系数，由此可以了解冷却系统的换热能力。

模拟过程采用自低到高逐次增加电热量的方式，已知钢板面积，故换热表面在聚焦超声汽雾冷却条件下达到热平衡时的热流密度为所施加的热源强度与面积的比值，即q=Q/s，其中Q为所施加的热源强度。数值模拟时，通过设定不同的热源强度energy值，即可得到不同热流密度下的热平衡温度，共模拟十组数据。

十组对应热平衡温度以及热流密度如表1所示。由表1数据，作出温度与热流密度的对应曲线，如图7所示，曲线的斜率就是表面换热系数。由表1和图7可以看出，随着热流密度的增加，钢板上表面温度增加并不明显，曲线斜率较大，按斜率折算，超声振动雾化冷却的换热系数达到了0.2w/mm2·℃，是池内欠热沸腾换热的十几倍，换热效果极强。

4 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稳态换热模拟，超声振动雾化冷却的换热系数达到了0.2w/mm2·℃，是池内欠热沸腾换热的十几倍，换热效果极强。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.机械工程学报，2007，43（1）：35-48.

[2]T.Tawakoli， M.J. Hadad， M.H. Sadeghi， A.Daneshi， S.Stockert， A.Rasifard. An Experimental Investigation of The Effects of Workpiece and Grinding Parameters on Minimum Quantity Lubrication—MQL grinding. International Journal of Machine Tools & Manufacture， 2009，49：924-932.

[3]黃卫星，高建民，陈翠英.超声雾化的研究现状及在农业工程中的应用.农机化研究，2007，（3）：154-158.

[4]Yi Hong， HUANU Jie，GU XingZhong， et al.study on ultrasonic spray technology for the coating of vascular stent.SCIENCE CHINA Technological sciences 2011，54（12）：3358-3370.

[5]Vladimir N K hmelev， Andrey Vkhmee V，et al. Ultrasonic Atomizer of Nanomaterials.XII international conference and seminar EDM，2011，ERLAGOL，sectionVIII：305-309.

[6]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.中国机械工程，2015，26（4）：446-451.

[7]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.振动工程学报，2015，28（3）：462-468.

[8]芦秋敏，雷树业.雾化喷射冷却的机理及模型研究.工程热物理学报，2005，26（5）：817-819.

[9]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阴.工程热物理学报，2010，31（6）：987-990.

[10]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].中国工程热物理工程热物理学报，2010，（7）：1167-1170.

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

[12]鲁森，王延遐，孙鹏，等.单喷嘴喷雾冷却旋转圆筒的换热特性实验研究.科学技术与工程，2016，12（16）：264-268.