皮质骨加工用医用热管钻头的设计及换热性能分析.docx

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1、皮质骨加工用医用热管钻头的设计及换热性能分析摘要本项目首先通过Solidworks考虑具体的传热以及散热的需求，对皮质骨医用钻头 进行设计及三维建模，内置旋转热管进行散热，之后通过Gambit对三维建模进行网 格划分，并导入FLUENT软件对充液率、热流密度及钻头转速三个变量单独改变进行 仿真分析，对有关数据进行分析并得出结论，优化应用于皮质骨钻孔的旋转热管的散 热效率。关键词：旋转热管传热学仿真皮质骨钻头三维设计基于已有的热管钻头进行改造，包括：（1）热管钻头、（2）气密性装置和（3）热 管管腔等几个部分。所述气密性装置（2）由（4）堵头、（5）密封圈、（6）扇形密封 圈、（7）工字形顶杆、

2、（8）弹簧、（9）阀口、（10）密封圈和（11）端面密封圈组成， 所设计的气密性装置可同时实现抽真空、注液、密封及二次密封等操作，结构简单, 操作简便。下列为麻花钻的结构参数，顶角2=118o ,螺旋角为25 ,总长度L=50.8mm, 选用冷凝端带锥角的轴向旋转热管。当热管开始抽真空时，通过一字形槽旋动堵头（4）,堵头（4）下端顶杆推动工字 形顶杆（7）,使得阀口（9）打开，此时扇形密封圈（6）将热管管腔与抽真空通孔的 连接。当抽真空结束后，开始注液时，所述堵头（4）逆时针旋转180向上移动，保持 阀口依然为打开状态，此时扇形密封圈（6）将热管管腔与注液通孔的连接。当抽真空及注液全部完成后，

3、继续逆时针旋动堵头（4）约90向上移动，使得 堵头（4）与工字形顶杆（7）脱离，工字形顶杆（7）下端端面密封圈（11）在内部弹 簧预拉力作用下与阀口（9）紧密贴合，同时扇形密封圈（6）将钻头刀柄上端抽真空 和注液的两个通孔堵住，实现二次密封。二、Gambit网格划分将热管钻头的外轮廓的一半且用一条直线将其封闭起来，将整个封闭起来的平面 设置成平面。第二将液相部分的平面建立出来，运用面切割功能将整个平面划分为两 个面，即固相与液相的在剖面处的投影面。然后使用直线区分固体面上的蒸发段、绝热段以及冷凝段。接下来对各个面上的 边进行划分，最后将其填满规则或不规则的四边形，通过多次修改，进而在进一步将

4、其划分为质量较为好的网格，以便导入FLUENT之中能够便于得到良好仿真分析结 果。网格建立导入FLUENT后如图所示三、FLUENT仿真结果分析3.1充液率对热管钻头换热效率的影响充液率是影响热管钻头换热效率的一项重要因数，充液率的百分比对热管的换热 性能有着显著的影响。充液率较低时，蒸干极限为制约热管换热效率的主要原因，当 充液率较高时，流动极限为制约热管换热的主要原因。为确定合适的充液率，保持其 他的边界条件、热流密度以及钻头钻速不变的情况下，仅仅改变热管中的充液情况, 及使用不同的充液率进行模拟仿真，验结果如下所示。1.00e*009.50e-019.00e-018.50e-018.00

5、e-017 50e-017.00e-016.50e-016.00e015.50e-015.00e-014.50e-014 00e-013.50e-013.00e-012 50e-012.00e-011.50e-011.00e-015.00e-02(a)充液率为14%(b)充液率为22% (c)充液率为30%0.00e+00不同充液率下的不同热流密度下相图的比较可以直观的看出当蒸发端的热流密度由小变大时，底端靠近蒸发端的核太沸腾现 象就越明显，底部的气泡明显呈变多的趋势，这表明了热流密度越大，热量集聚在蒸 发端的内部也就越多。为直观反应热流密度对热管换热的影响不同热流密度下热管外 壁面的温度分布

6、图如下所示：不同热流密度下热管外壁面的温度分布图由图可知，随着热流密度的增大，热管蒸发端与冷凝端的温差变大，从而使得等 效换热系数的值减少，也就是说热管换热性能有所下降。在设定的三组数据之中，在 q=5000wm八2时的等效换热系数最大，其切削区的外表面的温度相对来说也较低，故 此时的换热效果最好。3. 2钻头钻速对热管钻头换热效率的影响选择合适的钻头转速不仅能影响钻头温度，减轻热管换热压力，也能改善切削性 能，对于热管换热性能与实际加工的表现有着重要的影响。为此，在本次仿真分析的 过程中，在保持其他的边界条件、充液率以及热流密度不变的情况下，仅仅改变钻头 在钻削时的钻速，即使用不同的自定函数

7、进行仿真分析。钻头转速不同时的相图如下 所示。1 OOe-KD9.50e-019.00e-018.50e-018.00e-017.50e-017.00e-016.50e-016.00e-015.50e-015.00e-014.50e-014.00e-013.50e-013.00e-012.50e-012.00e-01 1.50e-011.00e-01(a ) n=1200rmin5.00e-02 OQOe00 n=2000rmin由图可知，钻头转速为1600rmin以及1200rmin时的核太沸腾现象较之于 2000rmin时更加明显。核态沸腾对热管的换热性能有着较大的影响，1200rmin时

8、核 态沸腾最为剧烈，为直观体现出钻头转速对换热性能的影响，热管钻头各部分的温度 以及等效换热系数如下图所示：不同转速下热管外壁面的温度分布图从不同转速下热管外壁面的温度分布图上可以看出，转速为1600rmin时的钻削 区域外壁面温度较之于其余两个温度较低，其等效换热系数也最大。考虑到核态沸腾 的剧烈程度以及热管钻头模拟的实际情况，热管钻头转速在1600rmin时的换热性能 最佳。四、项目总结（1）前期学习FLUENT及研究热管结构发生一些困难及意见不同之处，最后通过仿 真实验及论文查阅确定了最佳旋转热管皮质骨钻头结构。（2）项目组成员较为全面的认识了解了旋转热管结构，并将其投入到实际应用中。（3）项目组成员学会FLUENT软件的使用，对传热学有了更为全面的认识。项目达成预定的计划，在老师的帮助下，对传热学、热管、仿真有了更加深刻 地了解，提高了动手操作能力，将专业所学应用于实际研究中。