產(chǎn)品噴涂裝置Fluent仿真內(nèi)部流場數(shù)值分析

李東來 張文華 張宏斌 陳淑鑫

（齊齊哈爾大學(xué)，齊齊哈爾 161006）

隨著現(xiàn)代工業(yè)智能機械的快速發(fā)展，產(chǎn)品對外表面保護和視覺效果的要求越來越高，因此產(chǎn)品外表面需要均勻涂覆漆料。目前，國內(nèi)產(chǎn)品造型生產(chǎn)的整個行業(yè)裝備處于效率低、成本高階段[1]。工業(yè)生產(chǎn)中，按照噴涂方式的不同，噴涂可分為手動噴涂和機械自動噴涂。其中，人工手動噴涂作業(yè)方式噴涂效率低，且霧化漆霧彌漫在空氣中既污染周邊環(huán)境又危害人身健康。究其原因，主要是設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠完整，技術(shù)水平不夠高。機械噴涂在保證噴涂質(zhì)量的同時不僅可以大批量生產(chǎn)，也能保護人體健康，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)加工。針對此類問題，本文通過Fluent軟件數(shù)值分析機械噴涂過程中常存在的噴幅分裂、噴幅上重或下重、噴幅中央過厚等問題，提出調(diào)節(jié)噴嘴口徑漸擴變化、適當(dāng)調(diào)節(jié)噴嘴與噴涂產(chǎn)品間距等措施。

1 機械噴涂設(shè)備

機械噴涂設(shè)備包括噴涂設(shè)備的噴嘴霧化和噴涂效率的優(yōu)化。單俊鑫利用Fluent軟件對優(yōu)化的噴槍結(jié)構(gòu)進行內(nèi)部流場分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的2T+2Y型混合室明顯優(yōu)于1-1T混合室，得出合理的混合級數(shù)，可有效提高涂料的利用率[2]。盧林春利用Fluent軟件對噴嘴內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，得出在保證噴嘴內(nèi)部空氣入口壓力恒定的前提下，對噴嘴混合腔內(nèi)的壓力、流速進行模擬分析[3]。曹建明、朱輝等人對一種新型的內(nèi)混式空氣霧化噴嘴進行測量和研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣壓穩(wěn)定在某一數(shù)值時，噴霧錐角與水流量呈正相關(guān)趨勢，而當(dāng)水流量穩(wěn)定在某一數(shù)值且無空氣助力時，噴霧錐角相對較小[4]。梁博健、高殿榮等人從對高壓水射流噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對射流性能的影響入手，深入探究噴嘴出口處張角、錐孔深度，確定最佳出口擴張角和錐孔深度，并驗證在最佳參數(shù)下噴嘴的噴射角和射流流量都得到了顯著提升[5]。

2 現(xiàn)代涂裝方法

2.1 輥涂

輥涂分為手工輥涂和機械輥涂兩大類。光固化涂料通常采用機械輥涂法，分為同向和逆向兩大類。同向輥涂機涂漆輥的轉(zhuǎn)動方向與被涂物的前進方向一致。涂料在涂漆輥擠壓下涂覆在產(chǎn)品表面，涂量較少，涂層不夠均勻完整，因而采用同向輥涂機涂裝時往往兩臺機串聯(lián)使用，使得涂層更均勻。輥涂主要應(yīng)用轉(zhuǎn)輥進行產(chǎn)品噴涂，涂料均勻分布在轉(zhuǎn)輥表面，然后通過轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)動將涂料均勻涂飾在產(chǎn)品表面[6]。輥涂具有操作簡單、節(jié)省原料等特點，但對加工產(chǎn)品表面要求較為苛刻，因此不能應(yīng)用于加工異形工件[7]。

2.2 淋涂

淋涂是將涂料槽中涂料通過噴槍或窄縫對產(chǎn)品進行淋涂。涂料呈瀑布狀淋在被加工的產(chǎn)品上，形成均勻涂層。剩余涂料可通過泵輸送回涂料槽中達到循環(huán)使用的目的。淋涂對選用涂料的干燥速度要求較高，漆膜完全覆蓋到滴去余漆需要較長時間。若漆料干燥較慢，則會延長產(chǎn)品加工時間。它的優(yōu)勢在于對涂料黏度要求范圍較寬，只需滿足產(chǎn)品漆膜厚度要求，選用適當(dāng)?shù)耐苛橡ざ燃纯?。淋涂可?yīng)用于對膜厚精準(zhǔn)度要求較高的產(chǎn)品，但不適用于顏色種類多樣的產(chǎn)品，易造成涂料浪費，只適用于同種涂料反復(fù)淋涂。

2.3 噴涂

噴涂主要是通過離心力或壓力使液體涂料達到一定速度后通過噴嘴使涂料均勻霧化，并噴涂在產(chǎn)品表面。噴涂包括空氣噴涂、高壓無氣噴涂、低流量中等壓力噴涂和靜電噴涂。噴涂工藝廣泛應(yīng)用于各種形狀的產(chǎn)品，對噴涂產(chǎn)品表面形態(tài)沒有較高的要求，漆膜均勻且細(xì)膩。

3 噴槍的主要部件

典型噴槍的主要零件包括氣帽、噴嘴、針閥、扳機、氣閥、扇形調(diào)節(jié)鈕和手柄。氣帽把壓縮空氣流吸上來的油漆使其霧化并形成一定形狀[8]。噴涂主要裝置有3個部件，分別為中央噴口、噴管和針閥，如圖1所示。

3.1 噴嘴頭

在空氣帽上有噴出壓縮空氣的中心孔，分為少孔型和多孔型兩種，側(cè)面有空氣和輔助空氣孔。根據(jù)用途的不同，對應(yīng)孔的位置、數(shù)量和孔徑等各有差異?？諝饷薄娮旌蛧娽樖桥涮椎?，不能隨意組合使用。

3.2 噴嘴

噴嘴按形狀可分為直筒形噴嘴、貝式噴嘴和漸擴式噴嘴等。不同噴嘴可用于不同產(chǎn)品生產(chǎn)。貝式噴嘴因其形狀特點，可將涂料水平、均勻扁平噴出，且涂層厚度較為一致，因此應(yīng)用廣泛[9]。噴嘴常選用合金鋼制作，以免噴嘴被高速噴出的涂料磨損。此外，需根據(jù)不同的產(chǎn)品選用相應(yīng)的口徑。隨著口徑的變大，涂料的噴出量隨之增多。倘若氣體壓強不夠，漆料霧化程度就會較低。因此，工業(yè)上常采用高壓強大口徑噴嘴進行噴涂。

3.3 針閥

噴嘴前端內(nèi)壁呈針狀，與槍針配套成涂料針閥。扳動槍機使槍針后移，噴嘴即打開。噴嘴口徑和槍針配套使用。

4 模型仿真

噴管與噴嘴部分用SolidWorks建模后導(dǎo)入icem中實現(xiàn)網(wǎng)格劃分。噴管部分和噴嘴部分均為對稱結(jié)構(gòu)，形狀規(guī)則，因此兩個部分都可以采用六面體結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分。

4.1 網(wǎng)格劃分

在icem中設(shè)置最大網(wǎng)格尺寸為2 mm，最小網(wǎng)格尺寸為1 mm，生成網(wǎng)格總數(shù)為82 657個，如圖2所示。part部分將噴管入口截面設(shè)成inlet，噴嘴出口截面設(shè)成output，其余面定義為wall。生成網(wǎng)格后須調(diào)節(jié)網(wǎng)格質(zhì)量，而網(wǎng)格質(zhì)量直接影響求解精度。利用Vertices進行局部調(diào)節(jié)使網(wǎng)格接近規(guī)則形狀，同時對漸擴段細(xì)節(jié)部分進行網(wǎng)格加密，達到提高網(wǎng)格質(zhì)量的目的，使計算結(jié)果更接近真實值[10]，較好地反映噴涂過程中流體在噴管、噴嘴內(nèi)部的速度以及壓強情況，以便后期的問題分析。

4.2 選擇模型模擬

將生成好的網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在output中選擇ANSYS Fluent求解器后導(dǎo)入Fluent軟件，再次檢查網(wǎng)格質(zhì)量后進行模型選擇。針對噴涂裝置的噴涂問題，主要為互不相溶的氣-液兩相流的問題。因此，在計算中需引入k-epsilon模型模擬參數(shù)選擇無線網(wǎng)絡(luò)控制器（Radio Network Controller，RNC）。該模型為多相流模型，且在滿足計算精度的同時計算速度較快。因此，本文采用該模型模擬噴槍內(nèi)部流場壓力、速度等因素隨時間的變化。

4.3 確定邊界條件

根據(jù)噴槍的實際情況定義邊界條件：inlet部分選擇速度入口，一般噴槍法向速度分量為10 m·s-1，其他兩個方向速度分量為0 m·s-1，設(shè)置入口原料設(shè)定為水與空氣；output部分定義為壓強出口與大氣連通，重力設(shè)置為-9.81 m·s-1；wall部分設(shè)置為無滑移條件，即速度和湍流度均為零。

4.4 調(diào)用求解器

完成網(wǎng)格劃分、計算模型選擇以及邊界條件的設(shè)定后調(diào)用求解器。為了更好地提高求解精度，實驗采用Pressure-Based模型進行求解。松弛因子設(shè)為0.75，經(jīng)過多次模擬計算發(fā)現(xiàn)，松弛因子較小，發(fā)散概率較低，最終計算結(jié)果較貼近真實值。創(chuàng)建監(jiān)控類型，結(jié)合靜壓、整個速度梯度以及湍流強度進行監(jiān)控。為保證計算結(jié)果有更好的收斂性，實驗將收斂精度設(shè)置為10-6。以上所述控制參數(shù)設(shè)置完畢后，便可開始進行迭代計算。

4.5 仿真分析結(jié)果

利用軟件分析，結(jié)果如圖3所示。在噴嘴出口處壓強變化較大，速度變化幅度較小。在整個噴涂過程中，液體速度在噴管內(nèi)部變化的梯度較小，如圖4所示。變化幅度較大部分主要集中于噴嘴口，且呈傘狀分布。在噴涂過程中，變化氣體與涂料液體之間始終存在速度滑移，氣體在直柱段加速至最大速度后由于壓強的減小導(dǎo)致速度緩慢降低，而涂料液體一直做加速運動，并在慣性作用下隨著直柱段長度的增加逐漸趨向氣體的速度，涂料高速到達噴嘴處后壓強瞬間減小，與氣體相互碰撞后達到霧化效果。氣缸壓強、噴管長度、噴嘴處口徑變化均會影響霧化程度。壓強較小、噴管長度較短，會使涂料達不到噴出速度。出口壓強變化程度不夠，會達不到相應(yīng)的霧化效果。噴嘴口徑變化較小會阻礙漆料的擴散，影響漆料的霧化?？趶阶兓^大的噴嘴也會產(chǎn)生霧化效果不夠等問題。這主要是沒考慮涂料液體與氣體間的相互作用力，致使漆料在高速作用下不能與氣體發(fā)生完全碰撞，導(dǎo)致粒子較粗，達不到霧化要求。

通過多次反復(fù)模擬后發(fā)現(xiàn)，噴嘴口徑的大小、噴嘴長度均對噴幅面積有較大影響。若噴嘴直徑過小，噴涂材料表面很難形成液面薄膜；噴嘴直徑過大，則會引起霧滴顆粒與噴涂面發(fā)生碰撞，造成涂料飛濺現(xiàn)象。噴涂壓強的變化和噴嘴口徑漸擴的變化率，是影響噴幅中央過厚的主要原因。此外，噴幅中央過厚也可能受到與涂料黏度和頂針長短等因素的影響。

針對存在的問題，將涂料間的相對液相作用力納入液相動量方程的右端得到優(yōu)化后的噴嘴內(nèi)兩相流動。采用低濃度涂料，增大壓強、罐壓強或減小噴嘴的尺寸。針對噴幅上重或下重問題，由于噴嘴出口處壓強較大，可調(diào)節(jié)噴嘴套裝尺寸，也可針對不同噴涂產(chǎn)品更換不同噴嘴的套裝。

5 結(jié)語

模擬發(fā)現(xiàn)，噴嘴口直徑的大小是影響噴幅面積的主要因素，同時噴涂壓力的變化、噴嘴漸擴段的變化等會對噴幅造成一定影響。根據(jù)模擬結(jié)果進行分析，采用不同噴嘴套裝、選用適當(dāng)噴嘴尺寸可改善噴幅上重或下重問題，有利于提高噴涂效率。可見，調(diào)節(jié)噴嘴口徑漸擴變化、適當(dāng)調(diào)節(jié)噴嘴與噴涂產(chǎn)品間距等可改善存在的問題。