超声赋能线材表面节能干燥试验技术研究

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.04.011

中国机械工程 ›› 2026, Vol. 37 ›› Issue (4): 866-874.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2026.04.011

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超声赋能线材表面节能干燥试验技术研究

顾文婷¹^,²(), 陈修泓¹^,², 冯少科¹^,², 严鲁涛¹^,²(), 高亚祥³

^1.北京邮电大学智能工程与自动化学院, 北京, 100876
^2.工业互联网MEMS技术及器件可靠性北京市重点实验室, 北京, 100876
^3.益鑫能源科技(上海)有限公司, 上海, 200051

收稿日期:2025-11-28 出版日期:2026-04-25 发布日期:2026-05-11
通讯作者: 严鲁涛
作者简介:顾文婷，女，2001年生，博士研究生。研究方向为超声科学与机器人应用。E-mail：1922270637@qq.com
严鲁涛^*（通信作者），男，1984年生，教授。研究方向为超声科学与机器人系统、嵌入式及智能控制、绿色仿生系统、结构力学及可靠性等。E-mail：YanltBupt@hotmail.com。
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)

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

GU Wenting¹^,²(), CHEN Xiuhong¹^,², FENG Shaoke¹^,², YAN Lutao¹^,²(), GAO Yaxiang³

^1.School of Intelligent Engineering and Automation，Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing，100876
^2.Beijing Key Laboratory of MEMS Technology and Device Reliability for Industrial Internet，Beijing，100876
^3.Yixin Energy Technology（Shanghai） Co. ，Ltd. ，Shanghai，200051

Received:2025-11-28 Online:2026-04-25 Published:2026-05-11
Contact: YAN Lutao

摘要/Abstract

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 $μ L$ 、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。

关键词: 线材干燥, 高速空气射流, 超声赋能, 液滴雾化

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 $μ L$ 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.

Key words: wire drying, high-speed air jet, ultrasound-enabled, droplet atomization

中图分类号:

TB55

顾文婷, 陈修泓, 冯少科, 严鲁涛, 高亚祥. 超声赋能线材表面节能干燥试验技术研究[J]. 中国机械工程, 2026, 37(4): 866-874.

GU Wenting, CHEN Xiuhong, FENG Shaoke, YAN Lutao, GAO Yaxiang. Experimental Investigation of Ultrasonically-assisted Energy-saving Surface Drying Techniques for Wire Materials[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(4): 866-874.

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图/表 21

图1 超声雾化去除附着液滴

Fig.1 Removal of adhering droplets by ultrasonic atomization

图2 高速空气射流去除附着液滴

Fig.2 Removal of adhering droplets by high-speed air jets

图3 驱动液滴滚动的风速与液滴半径之间的关系

Fig.3 Relationship between the air velocity driving droplet rolling and the droplet radius

图4 超声雾化和高速空气射流消耗能量对比

Fig.4 Comparison of energy consumption between ultrasonic atomization and high-speed air jets

图5 能耗降低系数与液滴半径之间的关系

Fig.5 Relationship between the energy consumption reduction coefficient and droplet radius

图6 试验装置示意

Fig.6 Schematic diagram of the experimental setup

图7 振幅与输入功率百分比之间的关系

Fig.7 Relationship between vibration amplitude and input power percentage

图8 高速空气射流试验装置示意

Fig.8 Schematic diagram of the experimental setup for high-speed air jets

图9 液滴面积获取过程

Fig.9 Process of acquiring droplet area

图10 高速空气射流去除附着液滴过程

Fig.10 Process of removing adhering droplets by high-speed air jets

图11 超声雾化去除附着液滴过程

Fig.11 Process of removing adhering droplets by ultrasonic atomization

图12 不同去除方式下液滴面积变化情况

Fig.12 Variation of droplet area under different removal methods

图13 高速空气射流去除不同体积附着液滴

Fig.13 Removal of adhering droplets with different volumes by high-speed air jets

图14 高速空气射流去除不同体积液滴面积变化情况

Fig.14 Variation of droplet area during removal of different droplet volumes by high-speed air jets

图15 超声振动去除不同体积附着液滴

Fig.15 Removal of adhering droplets with different volumes by ultrasonic vibration

图16 超声振动去除不同体积液滴面积变化情况

Fig.16 Variation of droplet area during removal of different droplet volumes by ultrasonic vibration

图17 超声振动和高速空气射流去除不同体积附着液滴

Fig.17 Removing adhering droplets with different volumes by ultrasonic vibration and high-speed air jets

图18 一种用于线材结构清洁的径向超声波滚轮装置［22］

Fig. 18 A radial ultrasonic roller device for wire structure cleaning［22］

图19 一种高速线材的超声清洁除水装置［23］

Fig.19 An ultrasonic water removal device for high-speed wire［23］

图20 装置测试现场

Fig.20 Device testing site

图21 超声去除线材上附着液滴

Fig.21 Ultrasonic removal of adhered droplets on the wire

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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

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