超聲霧化冷卻系統(tǒng)換熱研究

鞠冉 任坤 陳鑫

摘 要：超聲霧化冷卻系統(tǒng)利用超聲振動(dòng)的能量使冷卻介質(zhì)霧化，并加注到熱源表面進(jìn)行強(qiáng)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(huì)不同。對霧化冷卻系統(tǒng)進(jìn)行換熱模擬，分析其換熱能力。搭建換熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用電加熱模擬熱源，進(jìn)行超聲霧化冷卻實(shí)驗(yàn)，對超聲汽霧冷卻換熱效果進(jìn)行驗(yàn)證。研究表明超聲霧化冷卻系統(tǒng)具有較強(qiáng)的換熱能力。

關(guān)鍵詞：超聲振動(dòng)；霧化冷卻；強(qiáng)化換熱

中圖分類號(hào)：TB559 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1671-2064（2018）15-0082-02

在機(jī)械精密加工中，用超聲霧化技術(shù)實(shí)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(shí)現(xiàn)準(zhǔn)綠色加工[1]。為了保證良好的冷卻效果，冷卻介質(zhì)需要有效的進(jìn)入加工區(qū)并與熱源進(jìn)行充分的熱交換。根據(jù)精密加工中對冷卻的要求，冷卻液從供液管道輸送到振子的前端，在超聲振動(dòng)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(shí)現(xiàn)大功率輸出和高頻振動(dòng)，且霧化后的冷卻介質(zhì)顆粒大小均勻，霧化指向性強(qiáng)，從而能夠滿足加工過程霧化冷卻的需要[2-3]。基于以上背景，開展了對超聲振動(dòng)霧化冷卻系統(tǒng)的換熱能力研究。

1 超聲霧化冷卻系統(tǒng)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(shí)，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1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(jì)算區(qū)域其他為壓力出口，壓力大小為標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行數(shù)值計(jì)算。模擬過程中計(jì)算流體區(qū)域尺寸為100mm×20mm，solid區(qū)域尺寸為100mm×5mm，入口為速度入口，直徑為8mm，即噴嘴直徑。模擬初始將熱源溫度設(shè)定為1073k、冷卻介質(zhì)初始溫度設(shè)定為300k，霧化后的汽霧體積分?jǐn)?shù)為0.8[4-7]。

1.2 模擬結(jié)果及分析

系統(tǒng)工作頻率65.7kHz，霧化初速度ν=9.9m/s。首先模擬無超聲振動(dòng)時(shí)，普通霧化射流冷卻方式下的熱源表面溫度場變化。圖2為汽霧噴射到熱源表面初始時(shí)刻溫度變化云圖，可以看出汽霧到達(dá)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(gè)方向滲透。計(jì)算流體區(qū)域的速度分度云圖如圖3所示，流場分布均勻規(guī)律。迭代1s之后，鋼板溫度變化如圖4a）所示。由圖4a）可以得到汽霧冷卻降溫效果非常明顯，短時(shí)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(dòng)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(dòng)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(huì)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(jìn)行指定，模擬計(jì)算結(jié)果如圖4b）所示。

對比圖4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(dòng)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(dòng)的最高溫度僅僅降到了769k，超聲振動(dòng)霧化冷卻系統(tǒng)具有更強(qiáng)的換熱能力。

2 超聲霧化冷卻系統(tǒng)換熱實(shí)驗(yàn)研究

為了分析超聲對汽霧冷卻統(tǒng)換熱的影響，搭建了如圖5所示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行換熱實(shí)驗(yàn)研究。超聲霧化冷卻系統(tǒng)實(shí)物及霧化效果如圖6所示。模擬熱源采用電加熱形式，試件為紫銅棒，為保證其一維導(dǎo)熱特性，在紫銅棒四周包裹10mm厚的硅酸棉進(jìn)行保溫，使其與外部環(huán)境絕熱。在距離熱源表面2mm、7mm、12mm處布置三層直徑為0.8mm的K型熱電偶，且每層布置的熱電偶間隔為120°。為得到溫度沿直徑方向的溫度分布情況，每層的三個(gè)熱電偶插入試件的深度不同，試件上表面直徑為12mm，所布置的三個(gè)熱電偶插入深度分別為2mm、4mm、6mm。試件底部以碳硅棒為加熱熱源，溫度用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。為節(jié)省測試時(shí)間，對試件加熱的過程中，先不開啟超聲電源，只進(jìn)行純水射流冷卻，待試件表面達(dá)到熱平衡后，開啟超聲電源，進(jìn)行超聲霧化冷卻實(shí)驗(yàn)，當(dāng)試件表面溫度再次達(dá)到熱平衡后，記錄溫度數(shù)據(jù)。 對不同流量及超聲聲功率下的穩(wěn)態(tài)換熱進(jìn)行熱平衡溫度測試，測試結(jié)果如圖7和8所示。

分析圖7及圖8，增大流量有助于降低溫度，因?yàn)榱髁吭龃螅瑓⑴c換熱的汽霧增多，可快速降低溫度；增大聲功率，相當(dāng)于提升了汽霧的初速度，汽霧到達(dá)熱源表面的動(dòng)能增大，有助于降低溫度。

3 結(jié)語

基于超聲振動(dòng)霧化理論，對普通霧化冷卻模式和超聲振動(dòng)霧化冷卻模式進(jìn)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(dòng)霧化冷卻的換熱能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通汽霧冷卻。對超聲振動(dòng)霧化冷卻系統(tǒng)進(jìn)行換熱實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，增大流量，參與換熱的汽霧增多，可快速降低溫度；增大聲功率，相當(dāng)于提升了汽霧的初速度，汽霧到達(dá)熱源表面的動(dòng)能增大，有助于降低溫度。對超聲振動(dòng)霧化冷卻系統(tǒng)強(qiáng)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(shí)際加工過程的換熱冷卻具有重要意義。

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