縱彎復(fù)合超聲振動霧化冷卻系統(tǒng)強化換熱模擬研究

劉素娟，任　坤

（1.河南工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 415007；2.蘇州科技大學(xué)，江蘇 蘇州 215009）

超聲霧化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、工業(yè)等各個方面，利用超聲霧化的方式實現(xiàn)精密加工過程中的冷卻，可在滿足冷卻效果的基礎(chǔ)上減少冷卻液用量，實現(xiàn)準綠色加工[1]。目前常用的超聲霧化方式一般為縱向振動和彎曲振動。縱向振動雖輸出功率較大但難以實現(xiàn)高頻振動；彎曲振動雖可以實現(xiàn)高頻振動，降低霧化顆粒粒徑但難以實現(xiàn)大功率輸出[2-5]。霧化后的冷卻介質(zhì)必須有效進入加工區(qū)并與熱源進行充分的熱量交換才能實現(xiàn)精密加工冷卻。根據(jù)精密加工中對冷卻換熱的要求，提出將縱振與彎曲振動結(jié)合的縱彎復(fù)合超聲振動霧化方式，可充分利用二者的優(yōu)點，滿足精密加工過程對冷卻換熱的要求[6-7]。設(shè)計的新型超聲霧化振子結(jié)構(gòu)，如圖1所示。基于以上背景及要求，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[8-11]。見圖2.

圖1　超聲振動霧化系統(tǒng)振子結(jié)構(gòu)

圖2　霧化效果

1　超聲振動霧化冷卻系統(tǒng)強化換熱模擬研究

1.1　模擬對象及邊界條件設(shè)置

數(shù)值模擬時，建立模型分析采用多相模型中的euler模型，仿真模型及邊界條件設(shè)置如圖3所示，底部為模擬熱源部分，噴嘴為正上方中間位置，為速度入口，計算區(qū)域其他為壓力出口，壓力大小為標準大氣壓，熱源部分，只有表面參與換熱，其余表面均為絕熱，設(shè)定上表面換熱系數(shù)并進行數(shù)值計算。模擬過程中計算流體區(qū)域尺寸為100 mm×20 mm，solid區(qū)域尺寸為100 mm×5 mm，入口為速度入口，直徑為8 mm，即噴嘴直徑。模擬初始將熱源溫度設(shè)定為1 073 K、冷卻介質(zhì)初始溫度設(shè)定為300 K，霧化后的汽霧體積分數(shù)為0.8[12]。

圖3　數(shù)值計算模型及邊界條件設(shè)置

1.2　模擬結(jié)果及分析

系統(tǒng)工作頻率65.7 kHz，數(shù)值分析初始速度ν=9.9 m/s.數(shù)值分析采取對比分析，研究超聲對冷卻換熱的影響。數(shù)值模擬分為兩部分，無超聲影響下汽霧換熱能力分析及在超聲聲場作用下的汽霧換熱能力分析。圖4為汽霧噴射到熱源表面初始時刻溫度變化云圖，冷卻介質(zhì)到達熱源表面立即參與換熱，冷卻介質(zhì)最先到達的區(qū)域率先降溫，隨著冷卻介質(zhì)流量的增加，霧化后的冷卻介質(zhì)在熱源表面鋪展，形成液膜，整個熱源表面開始降溫。提取模擬結(jié)果中的速度分度云圖如圖5所示，可以看出流場分布均勻規(guī)律，由于流量增加，在噴嘴正下方形成積聚，所以噴嘴正下方熱源表面處速度最小，從流場分布也可看出，冷卻介質(zhì)到達熱源表面后迅速鋪展并參與換熱。為了得到超聲對換熱的影響，采取單因素對比分析，即在其他條件均不改變的情況下，在普通汽霧冷卻的基礎(chǔ)上增加超聲振動。由于超聲聲場是一個交變的過程，對初始速度進行User Defined Function編程，無超聲作用及超聲聲場作用下的模擬結(jié)果如圖6a及圖6b所示。

圖4　冷卻初始時刻溫度變化云圖

圖5　速度分布云圖

對比圖6的a與b可以發(fā)現(xiàn)，在其他參數(shù)相同的條件下，有超聲聲場作用下，熱源表面的最高溫度從1 073 K下降到531 K，而無超生作用下僅僅下降到769 K，二者相差238 K，說明超聲聲場作用下，可加速冷卻介質(zhì)的強化換熱能力。

圖6　迭代1s時熱源溫度分布云圖

2　冷卻系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)換熱模擬分析

確定霧化冷卻參數(shù)，采用電加熱模擬熱源的方式進行系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)換熱模擬分析，可以得到不同加熱功率即不同熱流密度條件下的穩(wěn)態(tài)熱平衡溫度，根據(jù)模擬的十組數(shù)據(jù)繪制熱流密度與穩(wěn)態(tài)熱平衡溫度關(guān)系曲線，模擬條件及結(jié)果如表1所示，繪制的曲線如圖7所示，曲線的斜率就是熱源表面換熱系數(shù)。由表1和圖7的模擬結(jié)果可以看出，隨著熱流密度的增加，穩(wěn)態(tài)熱平衡溫度并未明顯增大，但由十組數(shù)據(jù)擬合的曲線斜率較大，而斜率所代表的就是換熱系數(shù)，計算曲線斜率可以發(fā)現(xiàn)縱彎復(fù)合霧化模式下的換熱系數(shù)達到了0.2 W/mm2·℃，幾乎是池內(nèi)欠熱沸騰換熱系數(shù)的十幾倍，換熱能力極強。見圖8.

表1　不同熱流密度下的熱平衡溫度

圖7　熱流密度與熱平衡溫度關(guān)系曲線

圖8　中心剖面溫度分布云圖

3　不同聲參數(shù)下?lián)Q熱模擬分析

為研究超聲振動聲參數(shù)的振幅及頻率對換熱能力的影響，分別進行了不同振幅及頻率的換熱模擬。為方便觀察溫度變化，提取熱源中心剖面溫度變化云圖，如圖8所示。取熱源上表面中心點溫度作為分析研究參考點，分析不同聲參數(shù)下的換熱能力。模擬分析時同樣采取單因素對比分析法，結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9　不同振幅值下的溫度值

圖10　不同頻率下的溫度值

圖9中，振幅值增大溫度持續(xù)降低，但當振幅達到35 μm時，溫度又開始升高，造成這種結(jié)果的原因是振幅的變化相當于計算初始入口速度的變化，當入口速度增大，汽霧到達熱源表面時具有更大的動能可加速熱量的交換，且汽霧到達熱源表面后在聲場作用下，成核以及破碎的速度加快，從而加速熱量的交換。當振幅增加到一定值時，汽霧顆粒在未完全參與換熱即被沖離熱源表面，故而溫度不僅不降反而升高。圖10中，頻率增加，相當于霧化后的汽霧顆粒粒徑減小，霧粒減小后與熱源接觸時蒸發(fā)速度加快，從而在相同時間內(nèi)帶走的熱量增大。

4　結(jié)束語

基于超聲振動霧化理論，分別分析了有無超聲聲場作用下的汽霧換熱能力，得到有無聲場作用下的溫度變化云圖，模擬結(jié)果表明有超聲聲場作用下汽霧的換熱能力遠遠大于普通汽霧冷卻。對超聲振動霧化冷卻系統(tǒng)進行穩(wěn)態(tài)換熱模擬，提取換熱系數(shù)，模擬結(jié)果表明超聲振動霧化冷卻的換熱系數(shù)達到了0.2 W/mm2·℃，是池內(nèi)欠熱沸騰換熱的十幾倍，換熱能力極強。對不同聲參數(shù)進行換熱模擬，當振幅增大時有利于提高換熱能力，但當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熱變效果開始變差；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。