超聲汽霧冷卻系統(tǒng)強化換熱瞬態(tài)模擬研究

任坤　劉素娟

摘 要：超聲汽霧冷卻系統(tǒng)利用超聲振動的能量使冷卻介質(zhì)霧化，并加注到熱源表面進行強化換熱。汽霧介質(zhì)從霧化噴頭噴射出去后，一直受到超聲聲場的作用，因此與直接射流冷卻的換熱效果會不同。對霧化冷卻系統(tǒng)進行瞬態(tài)換熱模擬，分析其換熱能力。研究表明超聲汽霧冷卻系統(tǒng)具有較強的換熱能力。

關(guān)鍵詞：縱彎復(fù)合；超聲振動；霧化冷卻；強化換熱

中圖分類號：TB559 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）10-0071-03

1 引言

在機械精密加工中，用超聲霧化技術(shù)實現(xiàn)加工過程冷卻不但可以充分發(fā)揮冷卻液的作用，提高冷卻效果，而且可以減少冷卻液的用量，實現(xiàn)準綠色加工[1]。根據(jù)振動霧化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理不同，目前采用的霧化振子大致可分為兩類，一類是利用縱向振動實現(xiàn)霧化，這種方式可以實現(xiàn)大功率的驅(qū)動，系統(tǒng)的可靠性高，但難以實現(xiàn)高頻振動，因此霧化的汽霧顆粒較大；另一類是利用圓盤的彎曲振動或厚度振動模式使液體的液面實現(xiàn)霧化[2-5]，這種方法可以實現(xiàn)高頻振動，氣霧的顆粒小，但難以實現(xiàn)大功率的驅(qū)動，并且氣霧形成后多以自由狀態(tài)漂浮。

在精密加工中，為了保證良好的冷卻效果，冷卻介質(zhì)需要有效的進入加工區(qū)并與熱源進行充分的熱交換。根據(jù)精密加工中對冷卻的要求，提出采用縱彎轉(zhuǎn)換模式的新型超聲霧化振子結(jié)構(gòu)，如圖1b）所示。其中1是夾心式縱向振動換能器，2是霧化盤，3是中心供液管路。霧化圓盤呈圓筒型，與縱向振子的端部以螺紋連接，圓筒的底部為薄壁彎曲振動圓盤。霧化盤與縱向換能器螺紋聯(lián)結(jié)后成為一個整體，振子的縱向振動被轉(zhuǎn)換成圓盤的軸對稱彎曲振動，冷卻液從供液管道輸送到振子的前端，在超聲振動作用下通過圓盤上的微孔，在圓盤的外端面被霧化后噴出。這一結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)大功率輸出和高頻振動，綜合了夾心式縱向振動系統(tǒng)和圓盤彎曲振動系統(tǒng)的優(yōu)點，從而能夠滿足加工過程霧化冷卻的需要[6-7]?；谝陨媳尘凹耙?，開展了對縱彎復(fù)合超聲振動霧化冷卻系統(tǒng)的換熱能力研究[8-12]。

2 超聲振動霧化冷卻系統(tǒng)強化換熱模擬研究

利用FLUENT建立熱源模型并進行數(shù)值模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果的溫度場分布云圖，對比普通霧化冷卻與超聲振動霧化冷卻的降溫效果。

2.1 模擬對象及邊界條件設(shè)置

由于汽霧所占體積分數(shù)較大，故將汽霧與空氣看做一個整體，采用多相模型中的euler模型。對汽霧冷卻平面熱源建立仿真模型，為使求解迅速方便，模型簡化為二維模型，結(jié)構(gòu)如圖3所示，計算流體區(qū)域的幾何尺寸為100mm×20mm，固體尺寸為100mm×5mm，霧化端面進行激光打微孔加工，因此噴嘴直徑為微孔所占圓面直徑，為8mm。圖4中，上端中心處為冷卻液噴射口，左右兩邊以及上邊除去中心噴嘴處均為壓力出口。邊界條件設(shè)置為：（1）噴射入口為速度進口，并假設(shè)噴霧流垂直方向的速度分布均勻；（2）出口選定為壓力出口，出口壓力值為標準大氣壓，即101325Pa；（3）鋼板的上表面為無滑移、耦合邊界條件，其他面取無滑移、絕熱邊界條件。為使計算結(jié)果更準確，劃分網(wǎng)格時對計算流體區(qū)域進行網(wǎng)格細化。熱源初始溫度設(shè)定為1073k、汽霧溫度設(shè)定為300k，空氣的體積體積分數(shù)設(shè)定為0.2?；旌蠈α鲹Q熱模型采用Fluent中分離求解器、非穩(wěn)態(tài)一階隱式差分格式、考慮滑移速度以及隱式體積力，湍流模型采用Realizable k-ε雙方程求解。

2.2 模擬結(jié)果及分析

系統(tǒng)工作頻率65.7kHz，霧化表面振幅24μm，霧化初速度ν=9.9m/s。

首先模擬無超聲振動時，普通霧化射流冷卻方式下的熱源表面溫度場變化。初始化條件選取速度進口為迭代運算起始處，打開殘差監(jiān)視窗口，迭代時間步距為0.1s，每個時間步計算20次。圖4為汽霧噴射到熱源表面初始時刻溫度變化云圖，可以看出汽霧到達熱源表面迅速參與冷卻換熱，鋼板瞬間淬冷，鋼板上表面與入口垂直的地方最先降溫，隨后向橫向以及徑向兩個方向滲透。計算流體區(qū)域的速度分度云圖如圖5所示，流暢分布均勻規(guī)律。迭代1s之后，鋼板溫度變化如圖6a）所示。由圖6a）可以得到汽霧冷卻降溫效果非常明顯，短時間內(nèi)溫度下降了175k。在其他條件均不改變的情況下，冷卻方式改為超聲振動霧化冷卻。超聲聲場作用于空氣場，因此氣相速度不再是恒定值，而是超聲振動的正弦變化值，超聲改變氣相速度，從而對液相的汽霧顆粒也會產(chǎn)生影響，并作用于換熱表面。編寫UDF程序，對射流氣相速度進行指定，模擬計算結(jié)果如圖6b）所示。

對比圖6的a）與b）可以發(fā)現(xiàn)，在同樣條件下，都迭代1s之后，在超聲振動的聲場作用下，熱源表面的最高溫度降到了531k，而無超生振動的最高溫度僅僅降到了769k，超聲振動霧化冷卻系統(tǒng)具有更強的換熱能力。

3 超聲振動霧化冷卻系統(tǒng)瞬態(tài)換熱模擬分析

瞬態(tài)換熱的模擬意在了解高溫試件在淬冷過程中的溫度變化，建立瞬態(tài)換熱數(shù)值分析模型，如圖7所示，試件采用銅棒，銅棒的直徑和噴嘴直徑一樣為8mm，銅棒高100mm，噴嘴距銅棒上表面距離為10mm。邊界條件設(shè)置為：（1）噴射入口為速度進口，并假設(shè)噴霧流垂直方向的速度分布均勻；（2）出口選定為壓力出口，出口壓力值為標準大氣壓，即101325Pa；（3）銅棒的上表面為無滑移、耦合邊界條件，其他面取無滑移、絕熱邊界條件。為使計算結(jié)果更準確，劃分網(wǎng)格時對計算流體區(qū)域進行網(wǎng)格細化。熱源初始溫度設(shè)定為800k、汽霧溫度設(shè)定為300k?；旌蠈α鲹Q熱模型采用Fluent中分離求解器、非穩(wěn)態(tài)一階隱式差分格式、考慮滑移速度以及隱式體積力，湍流模型采用Realizable k-ε雙方程求解。聚焦超聲汽霧冷卻系統(tǒng)選用溫度場模擬條件，即液相初速度9.9m/s，氣相速度通過溫度場模擬所編udf程序確定。迭代時間步距為0.001s，每步計算20次。

超聲振動霧化的霧化顆粒噴射到銅棒上表面，銅棒出現(xiàn)淬冷過程，為方便觀察淬冷過程銅棒自上而下的溫度變化；創(chuàng)建銅棒Z軸方向中心軸線，命名為line-1，銅棒自底向上坐標為0到100，line-1溫度值分布如圖8所示，Z軸方向中心截面自頂下下溫度變化云圖如圖9所示。由于銅棒自上而下的溫度變化較慢，為直觀得到不同振幅、不同頻率的溫度變化，取銅棒上表面中心點作為參考點，對比不同振幅、不同頻率下上表面中心點的溫度變化，從而得到不同超聲參數(shù)下的溫度變化曲線。不同振幅值下中心點溫度如圖10所示，不同頻率下中心點溫度如圖9所示。

由圖10可以看出，隨著振幅值的增大，溫度先是降低，后又升高，這是因為隨著振幅增大，汽霧射流速度增大，可加速熱量的交換，此外振幅增大也加劇了聲動力學(xué)效應(yīng)，聲場對汽霧的沖擊加劇，汽霧成核以及破碎的速度加快，從而加速熱量的散失。但當(dāng)振幅增加到一定使，溫度反而升高，此時由于速度過大，汽霧顆粒在沒有完全參與強化換熱時就被沖離熱源，故而溫度升高。由圖11可以看出，隨著超聲頻率升高，溫度持續(xù)降低，這是因為超聲頻率升高，霧化后的汽霧顆粒粒徑減小，加速了汽霧顆粒的蒸發(fā)，從而在相同時間內(nèi)帶走的熱量增加，加速熱源溫度的下降。

4 結(jié)語

基于超聲振動霧化理論，對普通霧化冷卻模式和超聲振動霧化冷卻模式進行模擬分析，得到兩種冷卻方式的溫度變化云圖，模擬結(jié)果表明超聲振動霧化冷卻的換熱能力遠遠大于普通汽霧冷卻。對系統(tǒng)瞬態(tài)換熱模擬，在改變聚焦超聲的振幅和頻率下，振幅增大有利于提高換熱能力，但當(dāng)振幅增大到一定值時，會導(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熱變效果變差；增大超聲振動的頻率，降低了霧化的霧粒粒徑，有助于提高換熱能力。對超聲振動霧化冷卻系統(tǒng)強化換熱能力的的研究結(jié)果，對今后冷卻系統(tǒng)應(yīng)用于實際加工過程的換熱冷卻具有重要意義。

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