靜電涂裝的影響因素與FLUENT仿真

王戰(zhàn)中，楊晨霞，張保真，張明亮

(石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

1 引言

隨著我國(guó)綜合國(guó)力的提升，汽車行業(yè)已經(jīng)逐漸成為我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，靜電涂裝逐漸成為汽車噴涂行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，汽車噴涂工藝[1]不斷完善，噴涂質(zhì)量不斷提升。在汽車噴涂過(guò)程中，存在多種影響靜電涂裝的因素。為了有效提升涂料霧化程度，提高汽車噴涂質(zhì)量，需對(duì)影響靜電涂裝的各項(xiàng)因素進(jìn)行研究和仿真，從而為合理選擇靜電涂裝參數(shù)提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

中國(guó)科技大學(xué)陳效鵬和董紹彤等，研究了與霧化現(xiàn)象有關(guān)的參數(shù)，提出了靜電霧化現(xiàn)象中不同流動(dòng)

狀態(tài)形成的不同的模型[2]。廣東工業(yè)大學(xué)的彭成新在其碩士學(xué)位論文中指出靜電噴涂過(guò)程中輸入變量比較多(如噴涂電壓，旋杯轉(zhuǎn)速，噴涂間距等)，且這些變量都是非線性變量，變量之間的耦合關(guān)系極其復(fù)雜。當(dāng)利用遺傳算法優(yōu)化后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)真空度、噴涂時(shí)間、靜電電壓、電流、涂漆量、霧化氣壓、扇形氣壓等噴涂參數(shù)進(jìn)行多次計(jì)算實(shí)驗(yàn)[3]，但在數(shù)值模擬各因素對(duì)霧化效果的影響及多因素同時(shí)對(duì)霧化效果的影響方面的研究還較少。選用ANSYS軟件中的FLUENT模塊以控制變量法對(duì)高速旋杯式靜電霧化器各因素與霧化效果的關(guān)系進(jìn)行仿真，以壓力分布

圖和速度曲線圖描述靜電霧化的效果。有效地提升涂料的霧化效果和汽車的噴涂質(zhì)量，為選擇合理的靜電涂裝參數(shù)提供理論指導(dǎo)。

2 靜電涂裝的原理

靜電涂裝是近年來(lái)發(fā)展的新型涂裝技術(shù)，能滿足大規(guī)模自動(dòng)涂裝生產(chǎn)線。且由于車體本身是導(dǎo)體，滿足靜電涂裝的要求，因此適合以靜電方式實(shí)現(xiàn)車體表面的涂裝工藝。

直流電暈放電示意圖，如圖1所示。左右分別是一針狀電極和一平板電極，當(dāng)在兩電極間施加萬(wàn)伏高壓靜電電場(chǎng)時(shí)，針狀電極尖端將以極其強(qiáng)烈的速度放出電子，通過(guò)這種方式使空氣呈現(xiàn)導(dǎo)電的現(xiàn)象，即電暈放電。電暈放電起始電壓與極性之間的關(guān)系，如圖2所示。在相同的極間距下，負(fù)極性電暈放電起始電壓比正極電暈放電起始電壓低，且形成的電暈放電更穩(wěn)定，方便使用。為了使帶有負(fù)電荷的涂料霧滴在電場(chǎng)力的作用下，吸附到正極的車體表面，完成涂裝過(guò)程，因此在實(shí)際涂裝過(guò)程中，普遍采用負(fù)極性靜電噴涂。由于同種電荷互相排斥的原理，新吸附的涂料霧滴會(huì)更傾向于沉積到未噴涂的車體表面，從而使車體涂裝更均勻。另外由于車體接地保護(hù)，因此能夠很快地將涂料霧滴攜帶的負(fù)電荷傳遞到大地，而不會(huì)累積，這樣就不會(huì)影響車體對(duì)隨后涂料霧滴的吸附。

圖1 直流電暈放電示意圖Fig.1 Diagram of DC Corona Discharge

圖2 電暈放電起始電壓與極性之間的關(guān)系Fig.2 The Relation between the Initial Voltage and Polarity of Corona Discharge

3 仿真參數(shù)設(shè)定

3.1 流體材料的選定

對(duì)高速旋杯式靜電霧化器結(jié)構(gòu)進(jìn)行流體仿真時(shí)，選擇液態(tài)涂料和氣態(tài)旋轉(zhuǎn)限幅空氣完成兩相材料的確定。流體屬性參數(shù)表，如表1所示。

表1 流體屬性參數(shù)表Tab.1 Fluid Attribute Parameter Table

3.2 主相和副相的設(shè)置

涂料通過(guò)高速旋杯式靜電霧化器進(jìn)行霧化，由于旋轉(zhuǎn)限幅空氣影響涂料霧化效果，在霧化器內(nèi)部可以看成液態(tài)涂料與氣態(tài)旋轉(zhuǎn)限幅空氣的混合，將主相phase-1設(shè)置為液態(tài)涂料，將副相phase-2設(shè)置為氣態(tài)旋轉(zhuǎn)限幅空氣。

3.3 模型的建立和網(wǎng)格的劃分

由于高速旋杯式靜電霧化器結(jié)構(gòu)具有軸對(duì)稱性，因此霧化器內(nèi)部的流體區(qū)域可沿軸向中心線所在的截面簡(jiǎn)化為二維模型[4]?；緟?shù)如下：涂料入口直徑為50mm的圓孔，旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口為10mm的圓孔，高速旋杯式靜電霧化器出口為直徑為240mm，高300mm的圓柱體邊界。霧化器流體模型網(wǎng)格劃分圖，如圖3所示。

圖3 霧化器流體模型網(wǎng)格劃分圖Fig.3 Mesh Generation Diagram of Nebulizer Fluid Model

在ANSYS軟件的FLUENT模塊[5]，對(duì)影響高速旋杯式靜電霧化器霧化效果的主因素進(jìn)行仿真[6]，通過(guò)壓力分布圖和速度曲線圖刻畫(huà)各因素對(duì)靜電涂裝的效果[7-8]。

4 影響霧化效果主要因素的仿真

4.1 中心孔直徑對(duì)霧化效果的影響

不同中心孔直徑下的壓力分布圖，如圖4所示。由于霧化器內(nèi)部截面呈軸對(duì)稱分布，以霧化器中心軸為對(duì)稱軸，壓力分布圖均呈現(xiàn)軸對(duì)稱分布。沿涂料入口至出口方向，由于霧化器內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程中存在流動(dòng)阻力和局部阻力，壓力值總體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。霧化器涂料入口橫截面附近產(chǎn)生顯著壓力變化，其主要原因是霧化器內(nèi)部涂料流動(dòng)方向的改變 旋轉(zhuǎn)限幅空氣的作用和霧化器內(nèi)部截面的縮小。圖4(a)～圖4(d)中，最大壓力值分別為1634.644Pa，1060.204Pa，828.869Pa，702.122Pa。隨著中心孔直徑的增大，最大壓力值逐漸減小，且各部分壓力值均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。表明在一定條件下，中心孔直徑越大，壓力值越小，涂料的霧化效率越低。

圖4 不同中心孔直徑下的壓力分布圖Fig.4 Pressure Distribution Diagram of Different Center Hole Diameters

不同中心孔直徑下霧化器出口各點(diǎn)的速度曲線圖，如圖5所示。霧化器出口邊界各點(diǎn)的速度變化較為明顯，涂料速度先下降，隨著兩側(cè)旋轉(zhuǎn)限幅空氣的交匯，涂料速度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，在涂料速度上升達(dá)到峰值后，隨著軸向間距的增大，旋轉(zhuǎn)限幅空氣的能量消耗隨之增大，各點(diǎn)速度緩慢下降。在圖5(a)～圖5(d)中，隨著中心孔直徑的增大，涂料速度峰值點(diǎn)和極小值點(diǎn)逐漸左移。由于涂料粒子受重力和離心力的影響，霧化器兩側(cè)對(duì)稱出口邊界的涂料速度不一致。當(dāng)中心孔直徑為60mm時(shí)，霧化器兩側(cè)對(duì)稱出口邊界的涂料速度差更明顯。通過(guò)以上對(duì)不同中心孔直徑仿真結(jié)果可知，當(dāng)其他仿真參數(shù)不變時(shí)，為保證霧化效果，中心孔直徑的最佳選擇范圍為(40～60)mm。

圖5 不同中心孔直徑下霧化器出口各點(diǎn)的速度曲線圖Fig.5 Velocity Curve of Atomizer Outlet Points with Different Center Hole Diameters

4.2 旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角對(duì)霧化效果的影響

不同旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角下的壓力分布圖，如圖6所示。壓力分布圖整體呈軸對(duì)稱分布。在霧化器入口至霧化器出口方向，涂料在流動(dòng)阻力與旋轉(zhuǎn)限幅空氣的促進(jìn)作用下，壓力分布圖呈帶狀分布。在圖6(a)～圖6(d)中，最大壓力值分別為1042.404Pa，1041.282Pa，1040.371Pa，1040.834Pa。隨著旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角的增大，最大壓力值逐漸減小，由于旋轉(zhuǎn)限幅空氣碰撞到霧化器邊緣，造成氣體能量損耗和氣流散射，霧化器中各區(qū)域壓力值依次減小，霧化效率降低。當(dāng)旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角增大至30°，霧化器中各區(qū)域壓力值開(kāi)始增大，霧化效率提高。

圖6 不同旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角下的壓力分布圖Fig.6 Pressure Distribution Map at Different Intersection Angles of Rotary Limited Air Inlet

不同旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角下霧化器出口各點(diǎn)的速度曲線圖，如圖7所示。圖7中可以看出，霧化器出口各點(diǎn)的速度不同，涂料速度先逐漸下降，在達(dá)到旋轉(zhuǎn)限幅空氣交匯點(diǎn)后，在旋轉(zhuǎn)限幅空氣的影響下，涂料速度逐漸上升，但隨著軸向間距的增大，旋轉(zhuǎn)限幅空氣的能量逐漸降低，因此霧化器出口的各點(diǎn)涂料速度緩慢下降。在圖7(a)～圖7(d)中，隨著旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角的增大，涂料速度峰值點(diǎn)和極小值點(diǎn)逐漸右移。

圖7 不同旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角下霧化器出口各點(diǎn)的速度曲線圖Fig.7 Velocity Curve of Atomizer Exit Points at Different Rotary Limit Air Inlet Angles

通過(guò)以上對(duì)不同旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角仿真結(jié)果可知，當(dāng)其他仿真參數(shù)不變時(shí)，為保證霧化效果，旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角的最佳選擇范圍為大于20°。

4.3 中心孔直徑與旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角同時(shí)對(duì)霧化效果的影響

為探索旋杯中心孔直徑與旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角的影響，設(shè)置中心孔直徑及旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角的基本參數(shù)和四組對(duì)比參數(shù)。中心孔直徑與旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角的參數(shù)設(shè)置，如表2所示。

表2 中心孔直徑與旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角的參數(shù)設(shè)置Tab.2 Parameter Setting of Intersection Angle between Center Hole Diameter and Rotary Limit Air Inlet

采用控制變量法研究中心孔直徑和旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角同時(shí)對(duì)霧化效果的影響。不同中心孔直徑與旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角下的壓力分布圖，如圖8所示。霧化器入口至霧化器出口方向，壓力分布圖呈帶狀分布。圖8(a)中設(shè)置基本對(duì)比參數(shù)：中心孔直徑為50mm，旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角為14°，最大壓力值為1042.633Pa。圖8(b)中，中心孔直徑增大，旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角增大，最大壓力值為698.622Pa。當(dāng)中心孔直徑和旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角同時(shí)增大時(shí)，壓力值減小，霧化效率減弱。圖8(c)中，中心孔直徑增大，旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角減小，最大壓力值為698.553Pa。當(dāng)中心孔直徑增大，旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角減小時(shí)，壓力值減小，霧化效率減弱。圖8(d)中，中心孔直徑減小，旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角增大，最大壓力值為1635.130Pa。當(dāng)中心孔直徑減小，旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角增大時(shí)，壓力值增大，霧化效率增強(qiáng)。圖8(e)中，中心孔直徑減小，旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角減小，最大壓力值為1655.013Pa。當(dāng)中心孔直徑和旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角同時(shí)減小時(shí)，壓力值增大，霧化效率增強(qiáng)。

圖8 不同中心孔直徑與旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角下的壓力分布圖Fig.8 Pressure Distribution Map of Different Center Hole Diameter at Intersection Angle of Rotary Limited Air Inlet

不同中心孔直徑與旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角下霧化器出口各點(diǎn)的速度曲線圖，如圖9所示。圖9(a)中基本對(duì)比參數(shù)為：中心孔直徑為50mm，旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角為14°。圖9(b)中，中心孔直徑增大，旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角增大，霧化器兩側(cè)對(duì)稱出口邊界的涂料速度差更明顯。圖9(c)中，中心孔直徑增大旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角減小涂料速度峰值點(diǎn)和極小值點(diǎn)均左移。圖9(d)中，中心孔直徑減小，旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角增大，霧化器出口起始位置下降點(diǎn)增多，涂料速度峰值點(diǎn)和極小值點(diǎn)均右移。圖9(e)中，中心孔直徑減小，旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角減小，霧化器出口起始位置的下降點(diǎn)增多，涂料速度峰值點(diǎn)和極小值點(diǎn)均右移。通過(guò)以上對(duì)不同中心孔直徑與旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角仿真結(jié)果可知，旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角對(duì)霧化效果影響較小，當(dāng)其他仿真參數(shù)不變時(shí)，為保證霧化效果，可適當(dāng)減小中心孔直徑。

圖9 不同中心孔直徑與旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角下霧化器出口各點(diǎn)的速度曲線圖Fig.9 Velocity Curve of Atomizer Exit Points at the Angle of Intersection of Different Center Hole Diameter and Rotary Limited Air Inlet

5 結(jié)論

(1)以旋杯的中心孔直徑和旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角為例，研究單因素對(duì)霧化效果的影響關(guān)系。當(dāng)其他仿真參數(shù)不變時(shí)，隨著中心孔直徑的增大，最大壓力值逐漸減小，霧化效率逐漸降低。隨著旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角的增大，最大壓力值先減小再增大。為保證霧化效果，中心孔直徑的最佳選擇范圍為(40～60)mm，旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角的最佳選擇范圍為大于20°。(2)以旋杯的中心孔直徑和旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角為例，研究雙因素對(duì)霧化效果的影響關(guān)系。當(dāng)兩因素同時(shí)作用時(shí)，旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角對(duì)霧化效果影響較小。當(dāng)其他仿真參數(shù)不變時(shí)，為保證霧化效果，可適當(dāng)減小中心孔直徑，中心孔直徑的最佳取值范圍為(40～50)mm，旋轉(zhuǎn)限幅空氣入口交角的最佳取值范圍為(20～30)°。為選擇合理的霧化參數(shù)提供方向，為實(shí)際噴涂過(guò)程提供了實(shí)踐指導(dǎo)。