用于高壓無氣噴涂原子灰的扇形噴嘴內部流場的數值仿真

孫禹，趙民，夏海渤，李國軍

(1.中車集團青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島，266111；2. 大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

原子灰(不飽和聚酯膩子)涂層是保證軌道車輛整體外皮涂裝必不可少的一道工序.目前，車體原子灰涂層均采用人工刮涂，施工工藝周期較長，人工的勞動量大，原材料浪費多，涂層質量不能保證.為了克服人工施工的弊端，開展軌道車輛外皮原子灰自動噴涂技術研究是必要的.然而原子灰自動噴涂技術在國內外軌道車輛領域尚無應用實例，用于滿足軌道車輛車體的原子灰自動噴涂技術正處于開發(fā)和摸索階段.

為了保證軌道車體焊接打磨后平整度的要求，原子灰層厚度應在1.5 mm 以上.由于原子灰粘度很大，若要實現自動噴涂，只能采用適用于高粘度的、大面積噴涂效率高的、一次涂膜厚的高壓無氣噴涂技術[1].其工作原理是將原子灰加壓至10～30 MPa，然后經噴嘴減壓、高速霧化，從而達到涂覆的目的.因而噴嘴作為關鍵的執(zhí)行元件，其結構參數直接關系到原子灰在噴嘴內部的流場，進而影響原子灰涂層質量的好壞[2].而原子灰在噴嘴內外部的流場的數據由于受到噴嘴結構、流場擾動、測量精度的限制，很難用實驗方法得到，所以用數值仿真模擬高壓無氣噴嘴內部流場是一種可行的辦法[3].

本文以固瑞克645扇形噴嘴為仿真對象，運用ANSYS Fluent 軟件，對噴嘴內部流場進行三維數值模擬.以噴嘴內部流場及出口流量為目標，研究不同入口壓力下對噴嘴內壓力、速度流場的變化和流量的影響，為實際噴涂提供必要的數據參考 .

1 物理模型的建立

1.1 扇形噴嘴內腔結構及幾何參數

固瑞克645錐形扇形噴嘴的3D模型及內腔結構如圖1所示.由圖1可知，噴嘴的內腔結構可分為錐形段，圓柱形段和V形半圓出口段.入口直徑D為3.0 mm，入長度K為8.0 mm，收斂角β為6.63°；圓柱段的直徑d為1.14 mm、長度L為2.5mm；V形出口的切槽半角α為30°，半徑r為0.57 mm.

圖1 固瑞克645軸向扇形噴嘴的3D模型及內腔結構

2 數值模擬與仿真分析

2.1 數學模型

流體在管道內流動具有層流與湍流兩種狀態(tài).根據雷諾公式:

Re=ρυd/μ

(1)

其中,υ、ρ、d、μ分別為流體的流速、密度、直徑與動力粘度.當雷諾系數Re<2 300時，為層流狀態(tài)，Re=2 300～4 000為過渡狀態(tài)，Re>4 000為湍流狀態(tài)，Re>10 000為完全湍流狀態(tài)(實踐中Re>3 000即可判斷為湍流).本研究中原子灰的ρ為1 700 kg/m3，μ為0.51 kg/(m·s)，v假定10 m/s，由雷諾數計算公式可知其雷諾數低于2 300，噴嘴內部的流動狀態(tài)為不可壓縮穩(wěn)態(tài)層流流動，故選用三維Navier-Stokes方程作為控制方程，并采用Laminar層流模型建立封閉控制方程組[4].

(1)質量守恒方程

(2)

其中，u、v、w分別表示速度矢量在x、y和z方向的分量.

(2)動量守恒方程(Navier～Stokes方程)

(3)

其中,p為射流壓力；ρ為密度；μ為動力黏度；S為動量守恒方程的廣義源項 .

2.2 網格劃分與邊界條件的設置

首先將SolidWorks創(chuàng)建的噴嘴結構幾何圖形導入ANSYS/ICEM CFD中，定義入口、出口，內壁等邊界后，對其進行非結構化四面體網格劃分，得到如圖2所示3D噴嘴; 然后將劃分好的網格導入Fluent進行數值模擬.選用3D求解器，Simplec算法對流體壓力和速度進行耦合，壓力的插值選擇Standard.為提高求解精度和降低擴散誤差，采用二階迎風離散格式[5]對控制方程進行數值求解，收斂條件設置為10-4，迭代600步計算完成.噴嘴內部流場的入口和出口均采用壓力邊界條件，入口壓力為10～25 MPa，出口靜壓力為0，即大氣壓.假定緊貼內壁面的流體保持靜止，故在壁面上無滑移，所有的速度分量均設置為零.

圖2 固瑞克645噴嘴的3D圖形

3 流場仿真結果與分析

3.1 入口壓力對噴嘴內部壓力場分布的影響

圖3為不同入口壓力下，噴嘴內部壓力場分布云圖 .可以看出，壓力在軸向呈明顯的層狀分布，是典型的層流特征 .隨著距離增加，直徑減少，壓力梯度變化加快，云層由大變小，由厚變薄，尤其圓錐向圓柱過度階段；在圓柱階段，壓力梯度變化減緩，并在接近出口處壓力云圖呈月牙形；在V型出口段，壓力云層最薄，壓力變化最快 .從圖中可以看出，不同入口壓力云圖的明顯區(qū)別在于出口處月牙形壓力云圖的變化.隨著壓力增加，月牙形云圖變小、變薄，導致楔形出口弧形內壁相對壓力增加，過大的壓力會造成從出口處磨耗增加，使噴嘴工作壽命縮短 .在實際過程中，若需要更大壓力噴涂高粘度流體，噴嘴應采用更耐磨損材料，或在出口處硬化處理，增加噴嘴使用壽命.

圖3 不同入口壓力下噴嘴內部壓力場分布(XOY截面)

圖4為不同入口壓力下，靜態(tài)壓力與距離的關系曲線(XOY截面).可以看出，不同入口壓力下，總的趨勢是噴嘴內軸向靜態(tài)壓力隨著距離的增加而減小，且變化規(guī)律基本一致 .曲線圖根據噴嘴結構可分為三個階段：第一階段，圓錐段(從 -3.5～4.5mm)，在2 mm之前，壓力隨距離下降平緩，對應的云層最厚，而從2～4.5 mm(圓錐向圓柱轉換處)，壓力下降加快；第二階段，圓柱段(從4.5～7.0 mm)，在6.0 mm之前，曲線的斜率變化較小，說明這段壓力隨距離是緩慢下降的，距出口端0.5mm范圍，即6.5～7.0 mm，隨著距離增加，壓力急劇下降；第三階段，0.57 mm長度半圓形出口段(半圓形V型出口深度為0.57 mm)，壓力隨距離增加而增加，而后瞬時變?yōu)榱? 總體來看， 壓力變化率最大階段在出口端附近1 mm范圍內， 壓力從106量級快速降為零，尤其是出口段，壓力在略有上升后，瞬間降為零，此時施加在流體上的加速度最大，為流體在離開出口瞬間液膜破碎、霧化提供了動力[6].

(a) 10 MPa

(b) 15 MPa

(c) 20 MPa

(d) 25 MPa

從圖4可以看出，在出口段隨著入口壓力的增加，壓力的變化率增大.因此，入口壓力增大，噴嘴出口處的磨損加快.這與噴嘴內部軸向壓力分布云圖是一致的.

總之，從入口壓力對噴嘴內部壓力場分布的影響來看，入口壓力在15～20 MPa是合適的.

3.2 入口壓力對噴嘴內部速度場的分布的影響

圖5為不同入口壓力，速度分布云圖.由圖可以看出，速度云圖與壓力云圖(圖3)一樣，也呈梯度分布，速度隨著軸向距離的增加而增加；入口壓力越大，出口速度越大.圖中明顯可以看出原子灰流體與內壁接觸的速度趨近于零，這是由于流體與金屬內壁存在界面結合力所致.在錐形部分，不同速度云圖層中，靠近錐形內壁的速度明顯滯后于軸向速度，而與前一個較低速度云圖層基本一致，形成的夾角與收斂角β一致；同樣的道理，在圓柱部分，從中心到內壁速度成梯度分布，從軸心速度最大逐漸過渡到內壁為零，這種過渡是由于不同速度的流體間存在摩擦力的緣故；在出口段，單位距離的流體速度變化最大，且隨著入口壓力的增大而增大.一般霧化液滴小，出口速度應大于100m/s.當壓力大于15 MPa時，出口速度已大于100 m/s，完全能夠滿足霧化的速度要求.

圖5 不同入口壓力原子灰流體速度分布(XOY截面)

圖6為不同入口壓力下，原子灰流體速度與距離的關系曲線.由圖可知，除了與內壁接觸的部分為零外，流體速度隨著距離的增加而增大，且同一距離處軸心處的速度最大.在圓錐段，速度隨距離的增加而增大，且在2～4.5 mm范圍內，速度變化明顯較之前加快，且軸心到壁面呈梯度分布；在圓柱段，最初的軸向速度隨距離緩慢增加，軸心到壁面速度梯度分布更加明顯，但距出口0.5 mm處，速度急劇增大.這與壓力與距離的關系(圖4)是基本一致的，因為速度變化是由壓力變化引起的.由圖還可以看出，隨著距離的增加，越靠近內壁，速度降低越多，這是由于速度的增加，不同梯度速度的流體顆粒間阻力越大，相對于軸心速度下降越明顯.

(a) 10 MPa

(b) 15 MPa

(c) 20 MPa

(d) 25 MPa

圖7為20 MPa下，Y和Z方向速度與距離的關系曲線.從圖7(a)可以看出，在圓錐段速度逐漸增大，速度也成錐形，這是由于隨著噴嘴流體速度的加快，圓錐段速度Y向分量也增大；在圓柱段(4.5～6.5 mm)，流體沿軸向流動，因為Y方向與壁面垂直，所以Y向速度接近于零，但在接近出口處(6.5～7 mm范圍內)，速度同軸向一樣，速率突然增加；在出口段，速度瞬間增大.而在噴嘴內，Z向的速度變化極小，幾乎為零，即使在出口處其速度也不超過0.5 m/s，相對于軸向和Y向速度，Z向速度可以忽略不計.

圖7 20 MPa下Y和Z向速度與距離的關系曲線

從圖6和圖7分析結果來看，軸向的速度明顯大于Y向，以壓力為20 MPa為例，軸向出口速度約為125 m/s，而Y向的速度約為60 m/s，這也很好地解釋了定位噴涂，涂層厚度呈拋物線分布，如圖8.

圖8 定位噴涂的涂層厚度分布示意圖

3.3 入口壓力對出口流量的影響

表1為不同入口壓力的出口流量.由表1可知隨著入口壓力的增加而增大.根據流量公式[7]：

(4)

這里，Q，ρ，P，d和k分別代表流量，密度，壓力，孔徑和系數.對于相同的原子灰和噴嘴，流量與壓力的平方根成正比.相鄰壓力的理論計算Q值和仿真Q′值的比值如表2所示.

表1 不同入口壓力的出口流量

表2 相鄰Q和Q′的比值

由表2可以看出，隨著壓力增大，由式(4)計算的和仿真的相鄰Q和Q′的比的差值越來越小，表明壓力越大，仿真計算值與理論計算值越接近.這是因為較低的入口壓力使靠近內壁的邊緣層不能獲得足夠的速度從出口噴出，所以壓力較小時，仿真流量較理論流量小，進而導致相鄰比值偏大.實際上，仿真流量跟實際流量更接近些，因為它考慮了內壁對流體流動的影響.

對于選定的噴嘴類型，噴涂參數主要包括噴涂壓力，噴涂距離，噴涂速度，而噴涂距離一般都在30～40 cm，由于噴涂壓力決定出口流量，噴涂速度決定涂層厚度，所以噴吐壓力和噴涂速度就成為高壓無氣噴涂的決定性因素.就入口壓力對出口流量的影響來看，入口壓力15 ～20 MPa是比較合適的，壓力再大，對出口流量影響有限(如表1) .這個壓力范圍既能滿足噴涂霧化的要求，也能避免過大壓力對噴嘴壽命的影響 .

4 結論

通過用 Fluent流體軟件對不飽和聚酯原子灰高壓無氣噴涂扇形噴嘴內的壓力、速度流場以及入口壓力對壓力、速度流場和出口流量的影響進行數值模擬，得到如下結論：①出口速度和流量隨著入口壓力的增大而增大； ②壓力和速度場云圖呈層狀分布、梯度變化；③圓錐向圓柱過渡段和出口段壓力和速度變化劇烈，其它部分則變化平緩；④入口壓力的增大對噴嘴出口段流場云圖影響最大；⑤入口壓力在15～20 MPa是比較適合無氣噴涂.