超聲汽霧冷卻系統強化換熱瞬態模擬研究

任坤　劉素娟

摘 要：超聲汽霧冷卻系統利用超聲振動的能量使冷卻介質霧化，并加注到熱源表面進行強化換熱。汽霧介質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。對霧化冷卻系統進行瞬態換熱模擬，分析其換熱能力。研究表明超聲汽霧冷卻系統具有較強的換熱能力。

關鍵詞：縱彎復合；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，用超聲霧化技術實現加工過程冷卻不但可以充分發揮冷卻液的作用，提高冷卻效果，而且可以減少冷卻液的用量，實現準綠色加工[1]。根據振動霧化系統的結構和工作原理不同，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霧化，這種方式可以實現大功率的驅動，系統的可靠性高，但難以實現高頻振動，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霧化[2-5]，這種方法可以實現高頻振動，氣霧的顆粒小，但難以實現大功率的驅動，并且氣霧形成后多以自由狀態漂浮。

在精密加工中，為了保證良好的冷卻效果，冷卻介質需要有效的進入加工區并與熱源進行充分的熱交換。根據精密加工中對冷卻的要求，提出采用縱彎轉換模式的新型超聲霧化振子結構，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結后成為一個整體，振子的縱向振動被轉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。這一結構可以實現大功率輸出和高頻振動，綜合了夾心式縱向振動系統和圓盤彎曲振動系統的優點，從而能夠滿足加工過程霧化冷卻的需要[6-7]。基于以上背景及要求，開展了對縱彎復合超聲振動霧化冷卻系統的換熱能力研究[8-12]。

2 超聲振動霧化冷卻系統強化換熱模擬研究

利用FLUENT建立熱源模型并進行數值模擬分析，根據模擬結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置

由于汽霧所占體積分數較大，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，結構如圖3所示，計算流體區域的幾何尺寸為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。邊界條件設置為：（1）噴射入口為速度進口，并假設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。為使計算結果更準確，劃分網格時對計算流體區域進行網格細化。熱源初始溫度設定為1073k、汽霧溫度設定為300k，空氣的體積體積分數設定為0.2。混合對流換熱模型采用Fluent中分離求解器、非穩態一階隱式差分格式、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 模擬結果及分析

系統工作頻率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。計算流體區域的速度分度云圖如圖5所示，流暢分布均勻規律。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，模擬計算結果如圖6b）所示。

對比圖6的a）與b）可以發現，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具有更強的換熱能力。

3 超聲振動霧化冷卻系統瞬態換熱模擬分析

瞬態換熱的模擬意在了解高溫試件在淬冷過程中的溫度變化，建立瞬態換熱數值分析模型，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。邊界條件設置為：（1）噴射入口為速度進口，并假設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。為使計算結果更準確，劃分網格時對計算流體區域進行網格細化。熱源初始溫度設定為800k、汽霧溫度設定為300k。混合對流換熱模型采用Fluent中分離求解器、非穩態一階隱式差分格式、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效應，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，從而在相同時間內帶走的熱量增加，加速熱源溫度的下降。

4 結語

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。對系統瞬態換熱模擬，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，但當振幅增大到一定值時，會導致霧化后的霧粒未完全參與換熱被沖離換熱面導致換熱變效果變差；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強化換熱能力的的研究結果，對今后冷卻系統應用于實際加工過程的換熱冷卻具有重要意義。

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