摘 要：超声汽雾冷却系统利用超声振动的能量使冷却介质雾化，并加注到热源表面进行强化换热。汽雾介质从雾化喷头喷射出去后，一直受到超声声场的作用，因此与直接射流冷却的换热效果会不同。对雾化冷却系统进行瞬态换热模拟，分析其换热能力。研究表明超声汽雾冷却系统具有较强的换热能力。
关键词：纵弯复合；超声振动；雾化冷却；强化换热
中图分类号：TB559 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）10-0071-03
1 引言
在机械精密加工中，用超声雾化技术实现加工过程冷却不但可以充分发挥冷却液的作用，提高冷却效果，而且可以减少冷却液的用量，实现准绿色加工[1]。根据振动雾化系统的结构和工作原理不同，目前采用的雾化振子大致可分为两类，一类是利用纵向振动实现雾化，这种方式可以实现大功率的驱动，系统的可靠性高，但难以实现高频振动，因此雾化的汽雾颗粒较大；另一类是利用圆盘的弯曲振动或厚度振动模式使液体的液面实现雾化[2-5]，这种方法可以实现高频振动，气雾的颗粒小，但难以实现大功率的驱动，并且气雾形成后多以自由状态漂浮。
在精密加工中，为了保证良好的冷却效果，冷却介质需要有效的进入加工区并与热源进行充分的热交换。根据精密加工中对冷却的要求，提出采用纵弯转换模式的新型超声雾化振子结构，如图1b）所示。其中1是夹心式纵向振动换能器，2是雾化盘，3是中心供液管路。雾化圆盘呈圆筒型，与纵向振子的端部以螺纹连接，圆筒的底部为薄壁弯曲振动圆盘。雾化盘与纵向换能器螺纹联结后成为一个整体，振子的纵向振动被转换成圆盘的轴对称弯曲振动，冷却液从供液管道输送到振子的前端，在超声振动作用下通过圆盘上的微孔，在圆盘的外端面被雾化后喷出。这一结构可以实现大功率输出和高频振动，综合了夹心式纵向振动系统和圆盘弯曲振动系统的优点，从而能够满足加工过程雾化冷却的需要[6-7]。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[8-12]。
2 超声振动雾化冷却系统强化换热模拟研究
利用FLUENT建立热源模型并进行数值模拟分析，根据模拟结果的温度场分布云图，对比普通雾化冷却与超声振动雾化冷却的降温效果。
2.1 模拟对象及边界条件设置
由于汽雾所占体积分数较大，故将汽雾与空气看做一个整体，采用多相模型中的euler模型。对汽雾冷却平面热源建立仿真模型，为使求解迅速方便，模型简化为二维模型，结构如图3所示，计算流体区域的几何尺寸为100mm×20mm，固体尺寸为100mm×5mm，雾化端面进行激光打微孔加工，因此喷嘴直径为微孔所占圆面直径，为8mm。图4中，上端中心处为冷却液喷射口，左右两边以及上边除去中心喷嘴处均为压力出口。边界条件设置为：（1）喷射入口为速度进口，并假设喷雾流垂直方向的速度分布均匀；（2）出口选定为压力出口，出口压力值为标准大气压，即101325Pa；（3）钢板的上表面为无滑移、耦合边界条件，其他面取无滑移、绝热边界条件。为使计算结果更准确，划分网格时对计算流体区域进行网格细化。热源初始温度设定为1073k、汽雾温度设定为300k，空气的体积体积分数设定为0.2。混合对流换热模型采用Fluent中分离求解器、非稳态一阶隐式差分格式、考虑滑移速度以及隐式体积力，湍流模型采用Realizable k-ε双方程求解。
2.2 模拟结果及分析
系统工作频率65.7kHz，雾化表面振幅24μm，雾化初速度ν=9.9m/s。
首先模拟无超声振动时，普通雾化射流冷却方式下的热源表面温度场变化。初始化条件选取速度进口为迭代运算起始处，打开残差监视窗口，迭代时间步距为0.1s，每个时间步计算20次。图4为汽雾喷射到热源表面初始时刻温度变化云图，可以看出汽雾到达热源表面迅速参与冷却换热，钢板瞬间淬冷，钢板上表面与入口垂直的地方最先降温，随后向横向以及径向两个方向渗透。计算流体区域的速度分度云图如图5所示，流畅分布均匀规律。迭代1s之后，钢板温度变化如图6a）所示。由图6a）可以得到汽雾冷却降温效果非常明显，短时间内温度下降了175k。在其他条件均不改变的情况下，冷却方式改为超声振动雾化冷却。超声声场作用于空气场，因此气相速度不再是恒定值，而是超声振动的正弦变化值，超声改变气相速度，从而对液相的汽雾颗粒也会产生影响，并作用于换热表面。编写UDF程序，对射流气相速度进行指定，模拟计算结果如图6b）所示。
对比图6的a）与b）可以发现，在同样条件下，都迭代1s之后，在超声振动的声场作用下，热源表面的最高温度降到了531k，而无超生振动的最高温度仅仅降到了769k，超聲振动雾化冷却系统具有更强的换热能力。
3 超声振动雾化冷却系统瞬态换热模拟分析
瞬态换热的模拟意在了解高温试件在淬冷过程中的温度变化，建立瞬态换热数值分析模型，如图7所示，试件采用铜棒，铜棒的直径和喷嘴直径一样为8mm，铜棒高100mm，喷嘴距铜棒上表面距离为10mm。边界条件设置为：（1）喷射入口为速度进口，并假设喷雾流垂直方向的速度分布均匀；（2）出口选定为压力出口，出口压力值为标准大气压，即101325Pa；（3）铜棒的上表面为无滑移、耦合边界条件，其他面取无滑移、绝热边界条件。为使计算结果更准确，划分网格时对计算流体区域进行网格细化。热源初始温度设定为800k、汽雾温度设定为300k。混合对流换热模型采用Fluent中分离求解器、非稳态一阶隐式差分格式、考虑滑移速度以及隐式体积力，湍流模型采用Realizable k-ε双方程求解。聚焦超声汽雾冷却系统选用温度场模拟条件，即液相初速度9.9m/s，气相速度通过温度场模拟所编udf程序确定。迭代时间步距为0.001s，每步计算20次。
超声振动雾化的雾化颗粒喷射到铜棒上表面，铜棒出现淬冷过程，为方便观察淬冷过程铜棒自上而下的温度变化；创建铜棒Z轴方向中心轴线，命名为line-1，铜棒自底向上坐标为0到100，line-1温度值分布如图8所示，Z轴方向中心截面自顶下下温度变化云图如图9所示。由于铜棒自上而下的温度变化较慢，为直观得到不同振幅、不同频率的温度变化，取铜棒上表面中心点作为参考点，对比不同振幅、不同频率下上表面中心点的温度变化，从而得到不同超声参数下的温度变化曲线。不同振幅值下中心点温度如图10所示，不同频率下中心点温度如图9所示。
由图10可以看出，随着振幅值的增大，温度先是降低，后又升高，这是因为随着振幅增大，汽雾射流速度增大，可加速热量的交换，此外振幅增大也加剧了声动力学效应，声场对汽雾的冲击加剧，汽雾成核以及破碎的速度加快，从而加速热量的散失。但当振幅增加到一定使，温度反而升高，此时由于速度过大，汽雾颗粒在没有完全参与强化换热时就被冲离热源，故而温度升高。由圖11可以看出，随着超声频率升高，温度持续降低，这是因为超声频率升高，雾化后的汽雾颗粒粒径减小，加速了汽雾颗粒的蒸发，从而在相同时间内带走的热量增加，加速热源温度的下降。
4 结语
基于超声振动雾化理论，对普通雾化冷却模式和超声振动雾化冷却模式进行模拟分析，得到两种冷却方式的温度变化云图，模拟结果表明超声振动雾化冷却的换热能力远远大于普通汽雾冷却。对系统瞬态换热模拟，在改变聚焦超声的振幅和频率下，振幅增大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。
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