超声赋能线材表面节能干燥试验技术研究

Experimental Investigation of Ultrasonically-assisted Energy-saving Surface Drying Techniques for Wire Materials

摘要

现有线材干燥采用的高速气流吹除工艺方法存在线材表面液膜极薄、气流作用面积小等问题。将超声能量作用于线材结构，使固液接触面高频振动，产生超声雾化效果。建立了超声雾化与高速空气射流的能耗模型，并围绕超声功率和液滴体积等关键参数开展对比试验测试。研究结果表明：超声通过毛细波与声空化诱发液滴快速铺展与雾化，液膜去除效率显著快于空气射流；在液滴体积10 \mathrm{\mu }\mathrm{L}、作用时间18 ms下，360 W超声去除率达到84.37%，而450 W高速空气射流对液膜的去除率仅为8.58%；能耗上，在实现同等去除效果的条件下，超声相比空气射流可使系统能耗至少降低约46.67%，表明超声赋能为线材表面快速、节能地除水干燥是可行的。

Abstract

Conventional wire drying typically relied on high-speed air-jet blowing， which had issues such as extremely thin liquid films on the wire surfaces and a small area affected by the airflow. Applying ultrasonic energy directly to the wire structures so that the solid-liquid interface underwent high-frequency vibration and an ultrasonic atomization effect was produced. An energy-consumption model coupling ultrasonic atomization and high-speed air jets was developed， and comparative experiments were carried out focusing on key parameters such as ultrasonic power and droplet volume. Results show that ultrasound induces rapid droplet spreading and atomization via capillary waves and acoustic cavitation， and the liquid-film removal efficiency is markedly superior to that of air jets. At a droplet volume of 10 \mathrm{\mu }\mathrm{L} and an exposure time of 18 ms， 360 W ultrasound achieves a removal rate of 84.37%， whereas a 450 W high-speed air jet removed only 8.58% of the film. In terms of energy consumption， under conditions producing equivalent removal， ultrasound reduces system energy use by at least approximately 46.7% compared with air jets. This paper demonstrates the feasibility of ultrasonic-assisted rapid， energy-efficient dewatering and drying of wire surfaces.

Graphical abstract

关键词

线材干燥 / 高速空气射流 / 超声赋能 / 液滴雾化

Key words

wire drying / high-speed air jet / ultrasound-enabled / droplet atomization

0 引言

在全球能源格局深度调整与“双碳”战略纵深推进的双重背景下，工业节能已成为保障能源安全、应对气候治理挑战与提高企业核心竞争力的关键抓手。线材结构广泛应用在汽车制造^［1］、基建工程^［2］、航空航天^［3］、船舶制造^［4］及精密仪器加工等多个领域。干燥作为线材制造过程中的关键步骤，是保证产品质量、提高生产效率的重要环节^［5-6］。

目前，去除线材表面残留液滴的主流方法包括高压气刀、热风枪将液滴“吹扫”或蒸发剥离。王晓东等^［7］通过拟合液滴在临界风速下的界面形状，分析了液滴受力情况，计算了液滴脱离的临界风速，结果表明，随着来流速度的增大，液滴半径的变小，对临界风速要求越来越高。郗华等^［8］研究了小尺度气枪喷嘴冲击射流的除水效率，发现除水效能直接取决于其射流的壁面水平速度，且需通过提高压力来扩大作用面积。郝鹏飞等^［9］利用图像分析处理方法对小尺度气枪喷嘴高速冲击射流的除水效率进行了研究，发现喷嘴的入口压力对液膜除去面积影响最大。郗华等^［10］发现气枪喷嘴的除尘作用主要集中在前3 s内，后续效率饱和，并且提高效率通常需要增加工作压力，这会导致耗气量大幅上升，揭示了该技术在持续效能与能耗方面的局限性。尽管高速空气射流技术在线材除水上应用成熟，但其固有缺点显著，如气动系统耗电占其总工业用电的7%~20%，且高速空气射流线材接触面积小，其效率通常仅为5%~17%，较液压系统和电力系统还有很大的提高空间^［11-12］。因此，开发低能耗、高效率的除水技术对推动工业绿色转型具有重要意义^［13］。

研究发现，利用超声在液体介质中传播时的空化效应，使液体中的微气泡急剧膨胀随后瞬间崩溃^［14］，可避免传统方法中因流体黏性阻力和作用范围大带来的能量损耗。ZHANG等^［15］讨论了超声振动加速冷凝液滴脱落的机理，比较了有无超声冷凝液滴的脱落速度。李帅等^［16］分析了超声激励下圆板表面液滴的铺展和雾化行为，发现超声作用使液滴瞬间雾化，并在表面形成间隔的“雾化环带”和“微滴环带”。DEEPU等^［17］通过试验证实，基于毛细波断裂机理的超声雾化能产生分散性高的微滴，这种微滴的基面半径达到0.4mm左右，证明了该技术是一种高效且可控的液体剥离方法。李栋等^［18-19］通过系统化的可视试验研究揭示，超声波能够通过声空化效应在铝基表面诱发液滴的界面失稳与二次雾化，进而有效去除结霜初始阶段的离散液滴、液滴群及表面残留液膜。以上研究证明了超声激励下基体表面液膜去除的可行性。

为了实现线材上液滴高效节能的去除，本文将超声激励引入线材表面，提出了一种基于超声赋能的线材表面液滴高效去除方法。首先建立高速空气射流与超声激励的能耗模型，通过理论分析得到超声赋能条件下液滴降低能耗百分比。在此基础上搭建超声与高速射流对比试验，借助高速相机系统捕捉液滴去除过程中的可视化图像与分析，验证试验环境中超声除水高效、低能耗的预期目标。同时通过企业现场实地测试，验证本研究的超声赋能干燥与清洁技术的工程可行性、兼容性和可操作性。

1 机理分析

1.1 超声雾化液滴消耗能量

如图1所示，在超声振动条件下，液滴基于毛细波效应^［20］和声空化效应^［21］发生破碎，形成雾滴从液滴表面喷射而出，从而脱离固体表面，即超声雾化。在这个过程中，超声振动输入的能量转化为雾滴增加的表面能和动能，从而使雾滴脱离固体表面。超声雾化附着液滴所需的能量E_{\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{t}}可以表示为

E_{\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{t}}=∆E_{\mathrm{s}}+∆E_{\mathrm{v}}

∆E_{\mathrm{s}}=E_{{\mathrm{s}}^{\mathrm{\text{'}}}}-E_{{\mathrm{s}}_{\mathrm{0}}}

E_{{\mathrm{s}}_{\mathrm{0}}}={\gamma }_{\mathrm{L}\mathrm{V}}{A}_{\mathrm{L}\mathrm{V}}+{\gamma }_{\mathrm{S}\mathrm{L}}{A}_{\mathrm{S}\mathrm{L}}

A_{\mathrm{L}\mathrm{V}}=\mathrm{2}\mathrm{\pi }Rh

A_{\mathrm{S}\mathrm{L}}=\mathrm{\pi }{a}^{\mathrm{2}}

h=R(\mathrm{1}-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta )

a=R\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta

式中：∆E_{\mathrm{s}}为增加的表面能；∆E_{\mathrm{v}}为增加的动能；E_{{\mathrm{s}}^{\text{'}}}为超声雾化后液滴的总表面能；E_{{\mathrm{s}}_{\mathrm{0}}}为未雾化液滴的表面能；{\gamma }_{\mathrm{L}\mathrm{V}}为液-气界面张力；{\gamma }_{\mathrm{S}\mathrm{L}}为固-液界面张力；A_{\mathrm{L}\mathrm{V}}为液滴表面积；A_{\mathrm{S}\mathrm{L}}为液滴底面积；R为液滴半径；h为液滴高度；a为液滴底面半径；\theta为液滴接触角。

所以，未雾化液滴的表面能E_{{\mathrm{s}}_{\mathrm{0}}}可以表示为

E_{{\mathrm{s}}_{\mathrm{0}}}={\gamma }_{\mathrm{L}\mathrm{V}}\mathrm{2}\mathrm{\pi }{R}^{\mathrm{2}}(\mathrm{1}-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta )+{\gamma }_{\mathrm{S}\mathrm{L}}\mathrm{\pi }{R}^{\mathrm{2}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }^{\mathrm{2}}

超声雾化后的液滴直径D可以表示为

D=\mathrm{0.34}{(\frac{\mathrm{8}\mathrm{\pi }{\gamma }_{\mathrm{L}\mathrm{V}}}{\rho f^{\mathrm{2}}})}^{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}}

式中：\rho为液体密度；f为超声振动频率。

因此，可以计算出超声雾化的液滴个数

n=\frac{V}{\frac{\mathrm{4}}{\mathrm{3}}\mathrm{\pi }{(\frac{D}{\mathrm{2}})}^{\mathrm{3}}}

其中，V为附着液滴的体积，计算公式为

V=\frac{\mathrm{\pi }{h}^{\mathrm{2}}(\mathrm{3}R-h)}{\mathrm{3}}=\frac{\mathrm{\pi }{R}^{\mathrm{3}}(\mathrm{2}-\mathrm{3}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta +\mathrm{c}\mathrm{o}{\mathrm{s}}^{\mathrm{3}}\theta )}{\mathrm{3}}

因此，超声振动条件下形成的雾滴的表面能E_{{\mathrm{s}}^{\text{'}}}可以表示为

E_{{\mathrm{s}}^{\mathrm{\text{'}}}}=\mathrm{4}n\mathrm{\pi }{(D/\mathrm{2})}^{\mathrm{2}}{\gamma }_{\mathrm{L}\mathrm{V}}+\mathrm{\pi }{a}^{\mathrm{2}}{\gamma }_{\mathrm{S}\mathrm{V}}

式中：{\gamma }_{\mathrm{S}\mathrm{V}}为固-气界面张力。

超声振动表面位移x可以表示为

x=A\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(\mathrm{2}\mathrm{\pi }ft)

其中，A为超声振幅。因此，超声振动速度v可以表示为

v=A\mathrm{2}\mathrm{\pi }f\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}(\mathrm{2}\mathrm{\pi }ft)

超声雾化后的液滴速度为超声振动速度的最大值，计算公式为

∆E_{\mathrm{v}}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\rho V{v}^{\mathrm{2}}

综上所述，超声雾化所需能量E_{\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{t}}可表示为

E_{\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{t}}={\gamma }_{\mathrm{L}\mathrm{V}}[\frac{\mathrm{2}\mathrm{\pi }{R}^{\mathrm{3}}(\mathrm{2}-\mathrm{3}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta +\mathrm{c}\mathrm{o}{\mathrm{s}}^{\mathrm{3}}\theta )}{\mathrm{0.34}{(\frac{\mathrm{8}\mathrm{\pi }{\gamma }_{\mathrm{L}\mathrm{V}}}{\rho f^{\mathrm{2}}})}^{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}}}-

\mathrm{2}\mathrm{\pi }{R}^{\mathrm{2}}(\mathrm{1}-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta )]-{\gamma }_{\mathrm{S}\mathrm{L}}\mathrm{\pi }{R}^{\mathrm{2}}\mathrm{s}\mathrm{i}{\mathrm{n}}^{\mathrm{2}}\theta +\mathrm{\pi }{R}^{\mathrm{2}}\mathrm{s}\mathrm{i}{\mathrm{n}}^{\mathrm{2}}\theta {\gamma }_{\mathrm{S}\mathrm{V}}+

\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}}\rho {\mathrm{\pi }}^{\mathrm{3}}{R}^{\mathrm{3}}(\mathrm{2}-\mathrm{3}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta +\mathrm{c}\mathrm{o}{\mathrm{s}}^{\mathrm{3}}\theta )A^{\mathrm{2}}{f}^{\mathrm{2}}（1）

1.2 高速空气射流去除液滴消耗能量

如图2所示，高速空气射流时，理想低能耗情况下液滴以滚动的形式脱离固体表面，高速空气射流输入的能量转化为液滴动能的增加和表面能的变化。液滴在发生滚动时，液滴底面发生褪湿，则基底褪湿区域面积为液滴底面积A_{\mathrm{S}\mathrm{L}}。

气流克服液滴底面黏性力所做的功W_{\mathrm{a}\mathrm{d}}可以表示为

W_{\mathrm{a}\mathrm{d}}=\mathrm{2}a{F}_{\mathrm{a}\mathrm{d}}

其中，F_{\mathrm{a}\mathrm{d}}为使液滴滚动所需要的气流作用力，计算式为

F_{\mathrm{a}\mathrm{d}}=\frac{A_{\mathrm{S}\mathrm{L}}({\gamma }_{\mathrm{L}\mathrm{V}}+{\gamma }_{\mathrm{S}\mathrm{V}}-{\gamma }_{\mathrm{S}\mathrm{L}})}{\mathrm{2}a}

液滴所受气流曳力F_{\mathrm{v}}可以表示为

F_{\mathrm{v}}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}{R}^{\mathrm{2}}{\rho }_{\mathrm{v}}{U}^{\mathrm{2}}{C}_{\mathrm{d}}(\mathrm{2}\theta -\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(\mathrm{2}\theta ))

式中：{\rho }_{\mathrm{v}}为气体密度；U为气体流速；C_{\mathrm{d}}为液滴曳力系数。

液滴所受气流曳力F_{\mathrm{v}}与液滴滚动所需要的气流作用力F_{\mathrm{a}\mathrm{d}}相等，则可获得使液滴滚动的风速

U=\sqrt[]{\frac{\mathrm{2}\mathrm{\pi }\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta ({\gamma }_{\mathrm{L}\mathrm{V}}+{\gamma }_{\mathrm{S}\mathrm{V}}-{\gamma }_{\mathrm{S}\mathrm{L}})}{R{\rho }_{\mathrm{v}}{C}_{\mathrm{d}}(\mathrm{2}\theta -\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(\mathrm{2}\theta ))}}

驱动液滴滚动的风速与液滴半径之间的关系如图3所示，可见，附着液滴越小，使其脱离附着固体表面所需要的风速越大。液滴接触角越大，越容易从固体表面脱离，使其脱离所需的风速越小。液滴滚动后获得的速度与风速U相等，则液滴在高速空气射流的作用下脱离固体表面所需要的能量E_{\mathrm{v}}可以表示为

\begin{array}{l}{E}_{\mathrm{v}}=A_{\mathrm{S}\mathrm{L}}({\gamma }_{\mathrm{L}\mathrm{V}}+{\gamma }_{\mathrm{S}\mathrm{V}}-{\gamma }_{\mathrm{S}\mathrm{L}})+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\rho V{U}^{\mathrm{2}}=\\ \mathrm{\pi }{R}^{\mathrm{2}}\mathrm{s}\mathrm{i}{\mathrm{n}}^{\mathrm{2}}\theta ({\gamma }_{\mathrm{L}\mathrm{V}}+{\gamma }_{\mathrm{S}\mathrm{V}}-{\gamma }_{\mathrm{S}\mathrm{L}})+\end{array}

\rho \frac{{\mathrm{\pi }}^{\mathrm{2}}{R}^{\mathrm{2}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta (\mathrm{2}-\mathrm{3}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta +\mathrm{c}\mathrm{o}{\mathrm{s}}^{\mathrm{3}}\theta )({\gamma }_{\mathrm{L}\mathrm{V}}+{\gamma }_{\mathrm{S}\mathrm{V}}-{\gamma }_{\mathrm{S}\mathrm{L}})}{\mathrm{3}{\rho }_{\mathrm{v}}{C}_{\mathrm{d}}(\mathrm{2}\theta -\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(\mathrm{2}\theta ))}（2）

1.3 超声雾化降低能量消耗

超声雾化和高速空气射流消耗能量与液滴半径之间的关系如图4所示。随着附着液滴半径的增大，超声雾化和高速空气射流消耗的能量也增大。但是，对比图4中两条曲线可以发现，在附着液滴半径相同的条件下，超声雾化消耗的能量显著低于高速空气射流消耗的能量。为量化超声雾化去除附着液滴相较于高速空气射流降低能耗的情况，引入能耗降低系数

\eta =\frac{E_{\mathrm{v}}-E_{\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{t}}}{E_{\mathrm{v}}}（3）

图5展示了\eta与R之间的线性关系，能耗降低系数随着附着液滴半径的增大而减小。在附着液滴半径不超过2 mm的情况下，能耗降低百分比维持在60%以上。超声振幅越大，能耗降低系数越小。

2 试验方法

2.1 试验装置

超声雾化去除固体表面附着液滴的试验装置见图6a，可以分为超声雾化、高速摄像和液滴吸取三个部分。超声雾化部分由超声换能器和超声控制器两部分组成，超声换能器将电信号转化为机械振动（f=\mathrm{20}\mathrm{k}\mathrm{H}\mathrm{z}），经由变幅杆将振幅放大。变幅杆端面为直径8 mm的圆形，材质为钛合金。超声控制器（额定功率600 W）可以通过调节输入功率来调节输出振幅的大小。利用激光测振仪（图6b）测量输入功率百分比δ与输出振幅之间的关系，结果如图7所示。输出振幅与输入功率百分比之间成线性关系，振幅随输入功率的增大而增大，当输入功率超过50%时，振幅超过40 \mathrm{\mu }\mathrm{m}。

采用高速相机（X1306M）获取液滴去除过程的时间序列图像，图像最大采集速率可达500 000 帧/s（FPS），在平衡采集速率和分辨率后确定采集速率为20 000 帧/s。采用背光法进行图像信息的采集，高速相机和光源相对放置在液滴的两侧。为达到最佳的拍摄效果，将光源、变幅杆端面、高速相机调整至一条水平线上。光源照射在液滴背面能够增强液滴与背景的对比度，使液滴的边界与细节更加明显，实现液滴形态微小变化的精准捕捉。

液滴吸取功能由移液枪实现，移液枪能够实现试验液滴体积的精准调控，移液枪吸取一定量的试验液滴放置在变幅杆端面的中心位置，量程为0.5~10\mathrm{\mu }\mathrm{L}。试验液滴使用去离子水，确保试验过程中液滴性质的一致性。

高速空气射流去除固体表面附着液滴试验装置见图8，可以分为高速空气射流、高速摄像和液滴吸取三个部分。高速空气射流由空气压缩机提供，空气压缩机（OTS-550）转速1380 r/min、公称容积流量40 L/min、储气罐容积8 L。

2.2 液滴去除过程表征方法

使用ImageJ软件处理高速摄像获取的图像，通过测量液滴面积变化情况来表征液滴去除进程，液滴面积获取过程如图9所示。首先，框选长8 mm、宽2 mm的液滴面积检测区域（图9a），只对该区域的液滴残留情况进行识别；其次，将图像转换为灰度图，从而简化后续处理；然后，设置二值化阈值，根据图像特点设置阈值下限（0）和阈值上限（200），灰度值在0~200范围内的区域被识别为液滴区域，其他区域则被识别为背景（图9b）；最后，统计液滴区域的像素面积，即可得到框选区域的液滴面积。

根据获取的液滴面积数据可以计算出液滴去除率

\lambda =\frac{A_{\mathrm{0}}-A_{\mathrm{r}}}{A_{\mathrm{0}}}

式中：A_{\mathrm{0}}为液滴初始面积；A_{\mathrm{r}}为残留液滴面积。

3 结果与讨论

图10展示了450 W高速空气射流对初始体积为10\mathrm{\mu }\mathrm{L}的附着液滴的去除过程。在0 ms时，附着液滴在表面张力的作用下整体呈球冠状。之后在气流作用力下，液滴由球冠状变为不规则形状，同时液滴被推动向前移动。在4~12 ms之间，液滴顶部液体被吹动向前移动，同时液滴形状逐渐趋于扁平。在12~28 ms之间，在气流剪切力和液体表面张力的作用下，液滴被拉伸成溪流状逐渐向前流动，厚度逐渐变薄，液滴附着部分逐渐减少。在上述运动过程中，液滴前端运动发挥重要作用，前端运动带动液滴整体向前运动。

图11展示了在超声输入功率为300 W的条件下，通过超声雾化去除10\mathrm{\mu }\mathrm{L}附着液滴的过程。在超声振动条件下，附着液滴先发生铺展，之后破碎并脱离附着表面。在0~9 ms之间，液滴在振动表面逐渐铺展。在9 ms左右，液滴表面开始喷射少量液滴。在9~11 ms，雾化程度显著增强，大量雾滴从液滴表面喷射而出，液滴附着部分显著减少。在11 ms之后，由于振动表面残留液滴体积减少，雾化程度减弱，喷射雾滴数量减少。

图12展示了10\mathrm{\mu }\mathrm{L}液滴在超声振动和高速空气射流两种条件下面积的变化情况，其中高速空气射流功率为450 W，超声振动的输入功率依次为240 、300 、360 W。当对附着液滴施加高速空气射流时，在气流作用力下，液滴形状发生改变会导致液滴面积增加，因此，液滴面积先增大然后逐渐减小。当对附着液滴施加超声振动时，液滴面积略微减少，然后液滴面积急剧增大，增大到最大值后迅速减小，之后逐渐减小并趋于稳定。上述过程中，液滴先发生铺展，然后液滴破碎发生雾化。铺展过程底面积增大，因此液滴面积逐渐减小。在液滴破碎过程，短时间内有大量雾滴从液滴表面喷射而出，致使面积迅速增大。随着雾化过程的推进，大量雾滴脱离附着表面，因此面积迅速减小。

对比图12中超声雾化和高速空气射流液滴面积变化曲线可以发现，高速空气射流去除附着液滴是个缓慢变化的过程，超声雾化则可以在短时间内去除附着液滴的大部分。在18 ms时，当超声输入功率分别为240 、300 、360 W时，液滴去除率分别达到79.82%、80.77%、84.37%，而此时450 W的高速空气射流条件下液滴的去除率仅为8.58%。当时间延长至30 ms时，高速空气射流条件下的液滴去除率为67.23%，不足70%。因此，利用超声雾化去除附着液滴，不仅可以降低能量消耗，还可以缩短附着液滴去除时间。此外，对比不同超声输入功率液滴面积变化曲线可以发现，超声输入功率越大，液滴面积越早开始增大，即液滴越早开始雾化。在16 ms时，当超声输入功率分别为240 、300 、360 W时，液滴去除率依次为62.85%、72.71%、84.80%。因此，超声输入功率越大，雾化过程越早结束，越早完成液滴去除过程。

此外，附着液滴的体积对其去除行为有关键影响，因此，本文进一步对不同体积液滴在高速空气射流和超声振动作用下的脱离特性进行分析。

高速空气射流对不同体积附着液滴的去除过程如图13所示。虽然附着液滴体积不同，但是其去除过程形态变化基本一致，基本都是从球冠状变为不规则形状，再变为溪流状直至被去除。同时，在5 ms时，空气射流推动液滴后端液体堆积在液滴前端，使其高度增加。在10 ms时，液滴体积为10\mathrm{\mu }\mathrm{L}和6\mathrm{\mu }\mathrm{L}的区域内还残留有大量液体，液滴体积为2\mathrm{\mu }\mathrm{L}的区域内液滴基本被去除干净。因此，附着液滴体积越小，去除其需要的时间越短。

图14展示了高速空气射流去除不同体积附着液滴时面积的变化情况。液滴面积先增大然后缓慢减小。在15 ms时，体积2\mathrm{\mu }\mathrm{L}的液滴去除率已经达到了93.55%，而体积6\mathrm{\mu }\mathrm{L}的液滴在30 ms时去除率才达到72.26%，体积10\mathrm{\mu }\mathrm{L}的液滴在30 ms时去除率仅为67.23%。液滴的体积越小，则底面积越小，它与固体之间的黏性力也随之减小，液滴更容易被气流剥离。此外，液滴体积越小，同等风速条件下，液滴能够获得的加速度越大，从而更快被吹离。因此，液滴体积越小，越容易在较短的时间内去除。

超声振动对不同体积附着液滴的去除过程如图15所示，超声输入功率为300 W。虽然液滴体积不同，但是其形态变化过程基本一致。液滴首先趋于扁平化，接触角变小，高度降低，之后表面喷射出大量雾滴，随着振动表面液体的减少，雾化剧烈程度逐渐减弱。体积为10、6、2\mathrm{\mu }\mathrm{L}的液滴分别在15、12、10 ms实现大部分液滴的去除。因此，液滴体积越小，超声振动去除其所需要的时间越短。

图16展示了超声振动去除不同体积附着液滴时面积的变化情况，此时，超声输入功率为300 W。体积2\mathrm{\mu }\mathrm{L}的液滴在5.5 ms开始雾化，在7.2 ms时液滴面积达到最大值，在10 ms基本完成雾化。体积6\mathrm{\mu }\mathrm{L}的液滴在6 ms开始雾化，在8.2 ms时液滴面积达到最大值，在12 ms基本完成雾化。体积10\mathrm{\mu }\mathrm{L}的液滴在8 ms开始雾化，在10.8 ms时液滴面积达到最大值，在15 ms基本完成雾化。因此，液滴体积越小，越早开始雾化，越早达到面积的最大值。

图17对比了超声振动和高速空气射流对不同体积附着液滴的去除情况，此时，超声输入功率为240 W。如图17a所示，当附着液滴体积为10\mathrm{\mu }\mathrm{L}时，在20 ms时，超声振动条件下液滴去除率为85.65%，而此时高速空气射流条件下液滴去除率仅为22.41%；当时间延长至30 ms时，高速空气射流条件下液滴去除率为67.23%，还未达到20 ms时超声振动条件下液滴的去除率。如图17b所示，当附着液滴体积为6\mathrm{\mu }\mathrm{L}时，在20 ms时，超声振动条件下液滴去除率为92.75%，而此时高速空气射流条件下液滴去除率仅为12.38%；当时间延长至30 ms时，高速空气射流条件下液滴去除率为72.26%，不足80%。如图17c所示，当附着液滴体积为2\mathrm{\mu }\mathrm{L}时，高速空气射流相较于超声振动有更好的去除效果，在15 ms时，高速空气射流条件下液滴去除率达到93.55%，超声振动条件下液滴去除率为71.30%。

结果表明，240 W超声振动对附着液滴的去除效果与450 W高速空气射流对附着液滴的去除效果基本一致。此外，当附着液滴体积较大时，240 W超声振动能够在更短的时间内实现附着液滴的去除。因此，利用超声振动去除附着液滴，能量消耗至少降低46.67%。

4 应用方向

首先，本研究围绕低功耗超声赋能干燥技术的核心环节进行了系统的知识产权布局。图18所示为一种用于线材结构清洁的径向超声波滚轮装置^［22］，主要包括滚轮、超声波发生器、视觉处理系统、高速相机、张紧轮、带座轴承、旋转轴、连接轮、过孔导电滑环、止转固定器、支架等，滚轮的周侧面上设有过线槽，滚轮内设有超声换能器，滚轮固定安装在一旋转轴上，旋转轴的两端转动安装在一支架上。通过超声振动与滚轮结构的协同作用，实现液滴的快速雾化与脱离，显著提高线材表面干燥效率，同时避免传统方法中高能耗或低效率等问题。图19所示为一种高速线材的超声清洁除水装置^［23］，其中过滤器外壳由底座以及架设在其上的框架组成，过滤器外壳的内部安装上压力调节装置和下压力调节装置，过滤器外壳内且位于上压力调节装置与下压力调节装置之间安装超声同速减摩器，框架的后表面设置多个排湿筒，且排湿筒的末端外接抽风机，通过抽风机将过滤器外壳内的水分抽出。本装置中的多个导向轮空间几何位置动态调整，实现了输入高度与输出高度的广泛范围兼容，适用于不同高度设备流水线对接，通过上下压力调节装置，可以精确控制线材的松紧程度，确保线材在清洁和脱水过程中保持适当的张力。

其次，本研究提出的超声赋能技术的表面干燥与清洁方法，在试验环境中已表现出良好的能效优势和高效率特性，而其应用价值更需在实际产业场景中进一步检验。

在前期试验基础上，自主研制了超声干燥装置，并在企业生产线取得了初步验证，如图20、图21所示。图21展示了超声去除线材表面附着液滴的过程，施加超声振动后液滴发生雾化，之后雾滴经风扇排出，实现线材表面的干燥。实地测试表明，该超声装置在连续运行条件下保持了良好的结构稳定性和输出一致性，核心模块在工作时仍能维持稳定的声场能量分布。此外，装置在安装方式、空间占用、操作便利性等方面表现良好，能够在不改变企业既有工艺流程的前提下完成集成。对企业而言，该特性能够显著降低生产线改造成本和导入新技术的风险。

5 结论

本文将超声赋能技术应用于线材表面液滴去除，用以代替高速空气射流这种高能耗、低效率的干燥方式。通过建立能耗模型与试验研究的对比，系统探讨了低功耗超声赋能技术的表面干燥与清洁的优势，得出以下主要结论：

1）两种方法的去除机理与效率存在显著差异。高速空气射流主要通过推动液滴发生形变与拉伸，去除过程相对缓慢且对大体积液滴效果有限；而超声振动则使液滴迅速铺展并发生雾化，形成大量雾滴瞬时脱离表面，整体去除过程更快、效率更高。

2）超声雾化所需能量显著低于高速空气射流。在相同去除效果下，240 W超声振动已可达到与450 W高速空气射流相当的去除能力，且对较大体积液滴还能在更短时间内完成脱离，从而使整体能耗至少降低约46.67%，体现出显著的能效优势。

3）在相同时间尺度下，超声振动能够在不足20 ms内实现超过80%的液滴去除，而高速空气射流即便在更高功率下，在18 ms时去除率不足10%，在30 ms时也仅约67%，显示出超声在去除效率与速度上具有显著优势。

4）原型装置现场测试显示，其结构稳定、声场输出一致、易于与现有生产线集成（占用空间与改造成本低），结合提出的径向超声滚轮与线材清洁装置设计，表明超声赋能方法在线材、卷材等连续工况中具有较强的工程实现潜力。

参考文献

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基金资助

国家自然科学基金(52275403)

工业互联网MEMS技术与器件可靠性北京市重点实验室开放研究基金(2025MKF04)