高壓無氣噴涂扇形噴嘴內(nèi)部流場數(shù)值模擬

康 津，羅 靜，龔文均，詹 捷，廖沛霖

(重慶理工大學(xué)汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400054)

高壓無氣噴涂作為優(yōu)秀的涂裝方法之一，因其具有良好的涂層質(zhì)量和較高的生產(chǎn)效率［1］得到了越來越廣泛的應(yīng)用。其工作原理是通過增壓裝置將涂料加壓至7.5～30 MPa后由噴嘴噴出，高壓涂料在噴嘴處發(fā)生壓力驟變，噴嘴出口流速突然增大，使涂料內(nèi)部發(fā)生劇烈膨脹而被撕裂呈霧化狀態(tài)，涂覆到工件表面形成致密漆膜［2］。噴嘴是高壓無氣噴涂的執(zhí)行元件，其好壞對噴涂涂料霧化起著至關(guān)重要的作用，因此對涂料在噴嘴內(nèi)部的流場進(jìn)行分析、研究噴嘴結(jié)構(gòu)對涂料噴涂的影響具有重要的意義。

影響涂料流動即霧化狀態(tài)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部分是噴嘴的內(nèi)腔及出口截面形狀［2］。本研究以常用的軸向扇形噴嘴結(jié)構(gòu)為例，采用相同出口截面形狀，運(yùn)用Fluent軟件，對噴嘴內(nèi)部流場進(jìn)行三維數(shù)值模擬。以噴嘴內(nèi)部流場的流動狀態(tài)、軸心處壓力速度變化及出口流量為目標(biāo)，研究不同內(nèi)腔結(jié)構(gòu)對涂料流動狀態(tài)的影響，為噴涂用扇形噴嘴的設(shè)計選取以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的依據(jù)。

1 物理模型的建立

1.1 扇形噴嘴內(nèi)腔結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)

常用軸向扇形噴嘴的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)可分為入口段結(jié)構(gòu)和出口段結(jié)構(gòu)。常用的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)形式有如圖1所示的幾種。其中，圖1(d)為采用具有平緩收縮功能的維多辛斯基曲線構(gòu)造的結(jié)構(gòu)。入口段形式分為平行形、平頂型、錐形［3］，主要決定尺寸為入口段大徑D，入口段長度K。出口段結(jié)構(gòu)如圖2所示，決定其結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)有出口圓柱段的直徑d、圓柱段的長度L、V形切槽的半角α、V形切槽的相對偏移量b、出口盲端的深度a2［4］。出口盲端平面和切割平面如圖3所示，其中只顯示了V形切槽的半平面。

1.2 模型用扇形噴嘴結(jié)構(gòu)幾何造型

本模型出口段結(jié)構(gòu)采用相同結(jié)構(gòu)形式。出口端采用半球面，半球半徑r=a2=1.25 mm，出口圓柱段長度L=10 mm，直徑d=2.5 mm。取相對偏移量b=0，V形切槽半角α=30°。入口段結(jié)構(gòu)取相同入口端大徑D=8 mm，入口長度K=10 mm。依次采用如圖1所示的4種不同入口結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用UG軟件對噴嘴進(jìn)行三維造型。

圖1 噴嘴內(nèi)腔結(jié)構(gòu)

圖2 噴嘴出口段結(jié)構(gòu)

圖3 出口盲端平面及切割平面

2 數(shù)值模擬與仿真分析

2.1 數(shù)學(xué)模型

液體在管道內(nèi)的流動具有層流與湍流兩種狀態(tài)［5］。對于固定條件的液體，當(dāng)雷諾數(shù)超過某一臨界值時，層流就變?yōu)橥牧鳌Ｍ苛蠟榉桥ｎD流體，其雷諾數(shù)臨界值為8 000～10 000［6］。本研究中射流介質(zhì)密度為 1 320 kg/m3，動力黏度為 0.275 kg/(m·s)，由雷諾數(shù)計算公式可知其雷諾數(shù)低于8 000，噴嘴內(nèi)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［7－9］。

1)質(zhì)量守恒方程

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)

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 有限元模型及邊界條件的設(shè)置

本研究中的扇形噴嘴的內(nèi)部計算區(qū)域為平面對稱結(jié)構(gòu)，因此在進(jìn)行數(shù)值模擬時，只要計算其1/4區(qū)域結(jié)構(gòu)即可。首先將UG創(chuàng)建的三維造型導(dǎo)入ANSYS/ICEM CFD對噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格;然后將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入有限元分析軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬。采用Navier-Stokes方程作為控制方程，采用Laminar層流模型建立封閉控制方程組［10］，并選用Simplec算法對流體壓力和速度進(jìn)行耦合，壓力的插值選擇Standard。為提高求解精度和降低擴(kuò)散誤差，采用二階迎風(fēng)離散格式［11］對控制方程進(jìn)行數(shù)值求解，收斂條件設(shè)置為1E－4。

整個內(nèi)部流場的入口和出口均采用壓力邊界條件，入口壓力為10 MPa，出口相對靜壓為零 (即大氣壓)。在噴嘴內(nèi)壁，緊貼壁面的流體保持靜止，故在壁面上設(shè)定無滑移邊界條件，所有的速度分量均設(shè)置為零。設(shè)置對稱邊界條件，垂直于對稱面上的速度分量為零。射流介質(zhì)密度為1 320 kg/m3，動力黏度為0.275 kg/(m·s)。

3 流場仿真結(jié)果及分析

3.1 入口結(jié)構(gòu)對壓力變化的影響

分別對4個噴嘴壓力仿真結(jié)果分析，其各自的對稱面壓力云圖見圖4。其中:1、2、3號噴嘴在剛?cè)肟诙螇毫ψ兓淮螅隹趫A柱段壓力變化同樣不大，但在拐角處以及扇形出口處有較大的壓力梯度;4號噴嘴整體壓力變化較為平緩。由圖5所示的噴嘴軸心線壓力變化散點圖可知:在入口段過渡到出口段的拐角處，1號噴嘴的壓力梯度變化最大，2號噴嘴次之，3號噴嘴壓力變化再次之，4號噴嘴的變化最小;其中2號和3號噴嘴拐角處的壓力梯度變化較為相近，4號噴嘴的流體在整段結(jié)構(gòu)內(nèi)變化都較為平緩;4個噴嘴結(jié)構(gòu)在扇形出口處的壓力梯度變化都比較大。由此可知:內(nèi)腔結(jié)構(gòu)變化對壓力變化具有重要的影響，結(jié)構(gòu)變化越劇烈，此處流場的壓力梯度越大;結(jié)構(gòu)變化越小，壓力梯度變化也越小。由流體力學(xué)可知:壓力梯度變化越大，流體內(nèi)部的運(yùn)動越劇烈，能量損失越大，流體對噴嘴的沖擊能量也越大，結(jié)構(gòu)破壞愈嚴(yán)重。因此，噴嘴結(jié)構(gòu)主要的破壞部位在入口出口段過渡處即拐角處以及噴嘴扇形出口處。合理選擇及改善這兩處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，特別是出口處強(qiáng)度(噴嘴扇形出口處結(jié)構(gòu)更加脆弱)，對延長噴嘴使用壽命具有重要意義。

圖4 對稱面壓力云圖

圖5 軸心處壓力變化

3.2 入口結(jié)構(gòu)對噴嘴內(nèi)部射流的影響

圖6為4種不同噴嘴結(jié)構(gòu)的對稱面速度云圖。分析其入口段處，流體從較低速度開始加速，但速度增加較慢，接近入口段與出口段的拐角處速度變化率增大。入口段處:1號噴嘴直角拐角處存在較大范圍的低速區(qū)域;2號噴嘴的拐角處也存在低速區(qū)域，但面積較小;3號噴嘴拐角處不存在低速區(qū)域;4號噴嘴速度整段變化較平緩。出口段處:1號噴嘴存在較厚的壁面邊界層，中心射流速度存在梯度變化;2號噴嘴壁面的邊界層要比1號薄;3號比2號薄;4號邊界層最薄。由圖7軸心處速度變化散點圖可見:4種結(jié)構(gòu)噴嘴的入口初始速度基本相同(約為10 m/s)，1號和2號噴嘴在入口處速度變化很小，3號和4號噴嘴從初始速度開始加速，但3號噴嘴速度增長率高于4號;1、2、3號噴嘴在接近拐角處時速度迅速增大，經(jīng)過拐角到達(dá)出口圓柱段后速度變化比較平緩，無明顯增加，接近出口處時速度再次增大，到達(dá)出口時速度達(dá)到最大;4號噴嘴全程加速，在出口處速度達(dá)到最大;對于最終出口中心射流速度值，4號噴嘴最大，達(dá)到125.5 m/s，2號和3號噴嘴次之，分別為121.1 m/s和 122.4 m/s，1 號噴嘴最小，為 115.2 m/s。

3.3 出口處流量

4種噴嘴入口結(jié)構(gòu)不同，內(nèi)腔大小不同，流體在噴嘴內(nèi)流動狀態(tài)不同，導(dǎo)致出口處流量不同。其中1號噴嘴最小，流量為0.116 4 kg/s，2號、3號噴嘴相差較小，分別為0.119 6 kg/s和0.120 1 kg/s，4 號噴嘴最大，為 0.136 5 kg/s。噴嘴流量柱狀圖見圖8。由圖8可知:4號噴嘴的出口流量遠(yuǎn)大于1、2、3號噴嘴，效率更高，更適合大面積噴涂。

圖6 對稱面速度云圖

圖7 軸心處速度變化散點圖

圖8 出口處噴嘴流量

4 結(jié)束語

在邊界條件和初始條件相同的情況下，保持噴嘴出口段幾何參數(shù)相同，分別采用不同的入口結(jié)構(gòu)，運(yùn)用Fluent對流場進(jìn)行數(shù)值模擬。通過對結(jié)果的分析可知:入口結(jié)構(gòu)變化對流體壓力梯度與速度變化具有較大的影響，結(jié)構(gòu)變化越劇烈，流場的壓力梯度越大;結(jié)構(gòu)變化越小，壓力梯度也愈小。

射流速度隨著結(jié)構(gòu)變化而變化，速度在結(jié)構(gòu)劇烈變化處變化大，結(jié)構(gòu)變化平緩處變化較小。出口圓柱段對射流速度的影響不大。平行形入口結(jié)構(gòu)射流速度最小，平頂形與錐形入口結(jié)構(gòu)較之增大，但兩者相差較小，而新設(shè)計的具有平緩收縮功能的維多辛斯基腔體出口速度最大，且維多辛斯基腔體出口流量遠(yuǎn)大于其余3種結(jié)構(gòu)，更適合大面積噴涂。

［1］滕燕，王譞，李小寧.高壓無氣噴涂涂料轉(zhuǎn)移率的主要影響因素及規(guī)律［J］.腐蝕與防護(hù)，2012，33(9):753－756.

［2］黃梅瑞.高壓無氣噴涂的可噴性分析及噴嘴結(jié)構(gòu)的改進(jìn)［J］.造船技術(shù)，1990(4):32 －35.

［3］任小增.高壓水射流清洗用扇形噴嘴的結(jié)構(gòu)及磨損研究［D］.長沙:中南大學(xué)，2009.

［4］劉俊，秦臻.高壓水射流清洗作業(yè)中噴嘴的設(shè)計原理和選型依據(jù)［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2007(5):43－44.

［5］王福軍.計算流體動力學(xué)分析CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［6］張廣仁，李堅副.木材涂飾原理［M］.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)出版社，1990:215－217.

［7］馬飛，張文明.水射流擴(kuò)孔噴嘴內(nèi)部流場的數(shù)值模擬［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報，2006，28(6):576 －580.

［8］Jemeisland M Ni，Dixon A G.CFD study of fluid flow and wall heat transfer in a fixed bed of spheres［J］.American Institute of Chemical Engineers Journal，2004，50(5):906－921.

［9］何楓，謝峻石，楊京龍.噴嘴內(nèi)部流道型線對射流流場的影響［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，2001，18(4):114 －119.

［10］韓占忠，王敬，蘭小平.FLUEN流體工程仿真計算實例與應(yīng)用［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2004.

［11］王毅，曾良才，陳新元，等.高壓除鱗噴嘴內(nèi)部流場數(shù)值模擬與仿真分析［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2007，30(6):614 －616.