纵弯复合超声振动雾化冷却系统强化换热模拟研究

刘素娟，任　坤

（1.河南工业大学，河南 郑州 415007；2.苏州科技大学，江苏 苏州 215009）

超声雾化技术已广泛应用于农业、医疗、工业等各个方面，利用超声雾化的方式实现精密加工过程中的冷却，可在满足冷却效果的基础上减少冷却液用量，实现准绿色加工[1]。目前常用的超声雾化方式一般为纵向振动和弯曲振动。纵向振动虽输出功率较大但难以实现高频振动；弯曲振动虽可以实现高频振动，降低雾化颗粒粒径但难以实现大功率输出[2-5]。雾化后的冷却介质必须有效进入加工区并与热源进行充分的热量交换才能实现精密加工冷却。根据精密加工中对冷却换热的要求，提出将纵振与弯曲振动结合的纵弯复合超声振动雾化方式，可充分利用二者的优点，满足精密加工过程对冷却换热的要求[6-7]。设计的新型超声雾化振子结构，如图1所示。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[8-11]。见图2.

图1　超声振动雾化系统振子结构

图2　雾化效果

1　超声振动雾化冷却系统强化换热模拟研究

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3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100 mm×20 mm，solid区域尺寸为100 mm×5 mm，入口为速度入口，直径为8 mm，即喷嘴直径。模拟初始将热源温度设定为1 073 K、冷却介质初始温度设定为300 K，雾化后的汽雾体积分数为0.8[12]。

图3　数值计算模型及边界条件设置

1.2　模拟结果及分析

系统工作频率65.7 kHz，数值分析初始速度ν=9.9 m/s.数值分析采取对比分析，研究超声对冷却换热的影响。数值模拟分为两部分，无超声影响下汽雾换热能力分析及在超声声场作用下的汽雾换热能力分析。图4为汽雾喷射到热源表面初始时刻温度变化云图，冷却介质到达热源表面立即参与换热，冷却介质最先到达的区域率先降温，随着冷却介质流量的增加，雾化后的冷却介质在热源表面铺展，形成液膜，整个热源表面开始降温。提取模拟结果中的速度分度云图如图5所示，可以看出流场分布均匀规律，由于流量增加，在喷嘴正下方形成积聚，所以喷嘴正下方热源表面处速度最小，从流场分布也可看出，冷却介质到达热源表面后迅速铺展并参与换热。为了得到超声对换热的影响，采取单因素对比分析，即在其他条件均不改变的情况下，在普通汽雾冷却的基础上增加超声振动。由于超声声场是一个交变的过程，对初始速度进行User Defined Function编程，无超声作用及超声声场作用下的模拟结果如图6a及图6b所示。

图4　冷却初始时刻温度变化云图

图5　速度分布云图

对比图6的a与b可以发现，在其他参数相同的条件下，有超声声场作用下，热源表面的最高温度从1 073 K下降到531 K，而无超生作用下仅仅下降到769 K，二者相差238 K，说明超声声场作用下，可加速冷却介质的强化换热能力。

图6　迭代1s时热源温度分布云图

2　冷却系统稳态换热模拟分析

确定雾化冷却参数，采用电加热模拟热源的方式进行系统稳态换热模拟分析，可以得到不同加热功率即不同热流密度条件下的稳态热平衡温度，根据模拟的十组数据绘制热流密度与稳态热平衡温度关系曲线，模拟条件及结果如表1所示，绘制的曲线如图7所示，曲线的斜率就是热源表面换热系数。由表1和图7的模拟结果可以看出，随着热流密度的增加，稳态热平衡温度并未明显增大，但由十组数据拟合的曲线斜率较大，而斜率所代表的就是换热系数，计算曲线斜率可以发现纵弯复合雾化模式下的换热系数达到了0.2 W/mm2·℃，几乎是池内欠热沸腾换热系数的十几倍，换热能力极强。见图8.

表1　不同热流密度下的热平衡温度

图7　热流密度与热平衡温度关系曲线

图8　中心剖面温度分布云图

3　不同声参数下换热模拟分析

为研究超声振动声参数的振幅及频率对换热能力的影响，分别进行了不同振幅及频率的换热模拟。为方便观察温度变化，提取热源中心剖面温度变化云图，如图8所示。取热源上表面中心点温度作为分析研究参考点，分析不同声参数下的换热能力。模拟分析时同样采取单因素对比分析法，结果如图9和图10所示。

图9　不同振幅值下的温度值

图10　不同频率下的温度值

图9中，振幅值增大温度持续降低，但当振幅达到35 μm时，温度又开始升高，造成这种结果的原因是振幅的变化相当于计算初始入口速度的变化，当入口速度增大，汽雾到达热源表面时具有更大的动能可加速热量的交换，且汽雾到达热源表面后在声场作用下，成核以及破碎的速度加快，从而加速热量的交换。当振幅增加到一定值时，汽雾颗粒在未完全参与换热即被冲离热源表面，故而温度不仅不降反而升高。图10中，频率增加，相当于雾化后的汽雾颗粒粒径减小，雾粒减小后与热源接触时蒸发速度加快，从而在相同时间内带走的热量增大。

4　结束语

基于超声振动雾化理论，分别分析了有无超声声场作用下的汽雾换热能力，得到有无声场作用下的温度变化云图，模拟结果表明有超声声场作用下汽雾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，提取换热系数，模拟结果表明超声振动雾化冷却的换热系数达到了0.2 W/mm2·℃，是池内欠热沸腾换热的十几倍，换热能力极强。对不同声参数进行换热模拟，当振幅增大时有利于提高换热能力，但当振幅增大到一定值时，会导致雾化后的雾粒未完全参与换热被冲离换热面导致换热变效果开始变差；增大超声振动的频率，降低了雾化的雾粒粒径，有助于提高换热能力。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。