中心霧化孔壓力對成膜特性的影響

陳 雁，潘海偉，陳文卓，婁博文，李 江

(中國人民解放軍陸軍勤務學院 油料系， 重慶 401331)

隨著機器人技術的發展，空氣噴涂機器人被廣泛應用在航空、汽車、石油與天然氣等領域[1-2]。為獲得均勻的噴涂涂層，需要對機器人噴涂工藝進行優化，其中最為關鍵的是噴涂參數的設定。噴涂參數主要包括中心霧化孔壓力、扇面控制孔壓力、涂料流量、噴涂距離、噴涂角度、噴槍移動速度等[3]。中心霧化孔壓力是位于噴槍空氣帽中心的霧化空氣孔噴涂出的氣體壓力，是影響噴霧流場噴幅、涂層厚度分布及噴涂機器人工藝優化的關鍵參數。

學者們已就噴涂參數對成膜效果的影響進行了大量研究。Domnick 等[4]利用相位多普勒測量系統測量霧化后粒子速度和粒子直徑等，研究改變涂料和空氣流速對噴涂流場和成膜的影響。Conner 等[5]通過實驗和數學分析提出分析沉積模型，研究距離和角度兩個變量對噴涂效果的影響。陳雁等[6]利用拋物線模型研究成膜圖形重疊寬度與涂層均勻性的關系。馮浩等[7]和劉亞舉等[8]利用積分法研究涂膜成長速率。以上學者大都針對噴涂距離、涂料流量、噴涂角度等噴涂參數展開研究，但由于以前理論研究方法的局限性，無法通過建立中心霧化孔壓力對成膜特性影響的數學模型進行深入分析。

中心霧化孔壓力對涂料成膜特性影響的研究可以采用實驗法和數值模擬法。實驗研究能夠直觀再現空氣噴涂過程，但不易精確控制中心霧化孔壓力，不能完全排除噴涂環境中無關變量的影響，無法深入研究中心霧化孔壓力對成膜特性的影響。隨著CFD(計算流體動力學)的發展，數值模擬法[9-10]逐漸被采用。數值模擬法利用CFD理論建立數學模型，通過對問題求解，可以獲得實驗難以得到的參數，如噴霧流場參數等，可深入分析整個霧化成膜過程。

1 中心霧化孔壓力影響模型

噴涂時，涂料在高速空氣沖擊作用下霧化成小液滴運動到工件表面并撞擊粘附在工件表面形成漆膜。根據上述成膜過程，建立研究中心霧化孔壓力對成膜特性影響的模型，中心霧化孔壓力影響模型包括噴霧流場模型和撞擊粘附模型。

1.1 噴霧流場模型

1.1.1 控制方程

質量守恒方程為

▽·(βqρqvq)=0

(1)

式中：下標q為g和l時，分別表示氣相和液相；βq為相體積率；ρq為q相的密度；vq為q相的速度。

動量守恒方程為

▽·(βqρqvqvq)=

-βq▽p+▽·τq+βqρqg+Ftd,q+Fq

(2)

式中：p為相共用的壓力；τq為q相的黏性應力；g為重力；Ftd,q為q相的湍流分散力；Fq為相間作用力。

能量守恒方程為

▽·(βqρqvqhq)=

(3)

式中：hq為比焓；qq為熱通量；Ppq為相間熱交換強度。

1.1.2 湍流模型

為分析流場中的湍流情況，在標準k-ε模型中引入：

(4)

(5)

式中：Πtn和Πεn為離散相與連續相湍流作用的附加項；常數項參數的取值與單相流相同。

1.2 撞擊粘附模型

涂料液滴在氣流的作用下向目標壁面運動，撞擊在目標壁面上形成液膜。采用撞擊粘附模型對涂料液滴撞擊目標壁面后的運動和成膜過程建模。撞擊粘附模型包括壁面液膜模型和液膜控制方程。

1.2.1 壁面液膜模型

壁面液膜模型可以計算液滴撞擊壁面后形成液膜的過程。涂料液滴撞擊壁面后的運動主要是由液滴撞擊壁面時的能量決定。涂料相撞擊壁面時的能量由式(6)決定。

(6)

1.2.2 液膜控制方程

涂料液滴撞擊壁面形成的液膜存在一定流動性，應用液膜控制方程對液膜流動性進行數值模擬。液膜控制方程包括：

連續性方程：

(7)

動量守恒方程：

(8)

2 數值求解

2.1 計算區域及網格劃分

空氣噴槍空氣帽模型如圖1所示，涂料孔孔徑為1.1 mm，中心霧化孔外徑為2.0 mm，內徑為1.6 mm，兩側牛角形結構上分別有2個孔徑為0.8 mm的扇面控制孔。

圖1 空氣帽模型

流體控制域為500 mm×300 mm×190 mm六面體，涂料孔距離平面距離為180 mm，以四面體網格劃分，單元數為785 637個，如圖2所示。因為多面體網格和相同數量的四面體網格相比，不但計算結果更精確，而且解算速度更快，所以利用FLUENT將導入的網格轉換成多面體網格。

圖2 流體控制域網格劃分

2.2 求解方法與計算參數

選擇三維雙精度求解器，基于氣液兩相的湍流控制方程，并通過Phase Coupled SIMPLE算法求解壓力速度耦合。計算過程中壓力、速度、k等的亞松弛因子大小均取默認值。入口邊界條件：設置涂料入口為質量流量入口，流量為0.001 32 kg/s；扇面孔為壓力入口，入口壓力為0.08 MPa；中心霧化孔為壓力入口，入口壓力分別為0.04、0.12、0.20、0.24、0.30 MPa。出口邊界條件：設置出口為壓力出口，給定靜壓力為標準大氣壓。壁面邊界條件：設置噴涂平面為歐拉壁面模型。噴涂時間：時間步長設為Δt=1×10-4s，噴涂時間為0.5 s。

3 模擬結果及分析

3.1 中心霧化孔壓力對噴霧流場形狀的影響

在扇面控制孔氣流的沖擊下，噴霧流場被壓扁，噴錐的橫截面為橢圓形。以空氣帽頂部圓心處為原點建立坐標系，X軸為噴錐截面的短軸方向，Y軸為截面的長軸方向，Z軸為噴錐的軸向方向。

為研究中心霧化孔壓力對噴霧流場的影響，需要保持其他參數不變，改變中心霧化孔壓力對平板工件進行噴涂作業，壓力分別設定為0.04、0.12、0.20、0.24、0.30 MPa，得到如圖3和圖4所示的長短軸氣相速度分布。

如圖3所示：隨著中心霧化孔壓力增大，當壓力由0.04 MPa增大到0.12、0.20 MPa時，長軸流場噴幅寬度迅速變小，當繼續增大壓力到0.30 MPa時，噴幅變小速度減緩，噴幅寬度逐漸趨于穩定。如圖4所示：隨著中心霧化孔壓力增大，流場短軸噴幅寬度逐漸增大。

圖3 長軸仿真空氣相流場分布

圖4 短軸仿真空氣相流場分布

通過長短軸仿真圖可以看出:噴霧流場隨著中心霧化孔壓力變化而變化，當中心霧化孔壓力從0.04、0.12、0.20、0.24、0.30 MPa逐漸增大時，噴霧流場長軸噴幅寬度逐漸變小，當壓力增大到一定數值，長軸流場變化趨緩；短軸流場噴幅隨著空氣孔壓力增大有小幅度變大，變化速度比長軸緩慢；隨著壓力的增大，長軸和短軸噴幅寬度逐漸趨于相近。

在理想狀態下，可以用中心霧化孔壓力趨向無窮大的方法來分析原因。因為扇面孔壓力固定為0.08 MPa，隨著中心霧化孔壓力不斷增大，扇面孔壓力相對作用逐漸減小，當中心霧化孔壓力趨向無窮大時，扇面孔相當于關閉，這時得到的噴霧流場為一個規則的圓錐，長軸和短軸噴幅一樣大小，所以隨著中心霧化孔壓力的增大，長短軸噴幅寬度逐漸趨于相近。

為研究流場分布情況需要,對涂料液滴在流場中的運動情況進行分析。分別取霧化孔中心到目標壁面的垂線上涂料速度分布和距離中心霧化孔1.3 cm處涂料速度沿X方向分量進行分析，結果如圖5、6所示。

圖5 軸線速度分布

圖6 噴嘴下方1.3 cm處涂料速度X方向分量

如圖5所示：隨著中心霧化孔壓力的增大，軸線方向涂料初始速度明顯增大。由式(2)和(3)可知：涂料相動能主要由空氣相壓能轉化，當中心霧化孔壓力逐漸增大時，涂料相獲得的動能增大，垂直于工件表面的初始法向速度增大，初始速度從30 m/s增大到200 m/s，涂料液滴達到工作面的時間縮短。

如圖6所示：不同壓力下的5條速度曲線重合在一起，說明隨著壓力的增大，噴嘴下方1.3 cm處涂料速度X方向分量變化很小。因為扇面空氣孔為噴幅控制孔主要提供涂料液滴X和Y方向速度，扇面孔壓力一定時，X和Y方向速度變化很小。

隨著中心霧化孔壓力增大，涂料液滴到達工件表面時間縮短，而X方向速度不變，涂料液滴在X方向位移變小，X方向位移作用主要是從兩側向中心擠壓噴霧流場，當位移變小之后，擠壓的距離變短，短軸長度相應地就會增大。Y方向是噴霧流場長軸方向，是由中心向兩側拉伸噴幅，同樣的液滴在Y方向運動時間縮短，速度不變，Y方向移動距離也變短，向兩側拉伸噴幅的距離變短，長軸長度也相應變短。

3.2 中心霧化孔壓力對成膜的影響

為研究中心霧化孔壓力對成膜的影響，仿真得到的涂層厚度分布如圖7所示。從圖7中可以看出：隨著中心霧化孔壓力不斷增大，噴霧圖形長軸長度變小，短軸長度逐漸增大，最后圖形由橢圓形趨于圓形。

圖7 平面成膜云圖

噴霧圖形的長軸和短軸是涂層分布最具代表性的軸線。長軸和短軸截面涂層厚度分布情況如圖8和圖9所示，從涂層厚度分布情況可以看出：隨著霧化空氣孔壓力的增大，噴霧圖形在長軸方向長度逐漸變小，涂層厚度逐漸增大；噴霧圖形在短軸方向長度逐漸變大，涂層厚度逐漸增大。

表1為不同壓力下涂層厚度分布情況。當中心霧化孔壓力從0.04 MPa變化為0.12 MPa時，長軸長度從40 cm變為30 cm，短軸長度從10 cm變為14 cm，成膜面積由0.044 m2變為0.033 m2，長短軸長度和成膜面積變化明顯。當壓力達到0.20 MPa時，成膜面積從0.044 m2變為0.025 m2，繼續增大壓力到0.24、0.30 MPa，長軸長度繼續從25 cm變短為20 cm，短軸長度繼續變大，從14.2 cm增大到15 cm，但是成膜面積保持不變，為0.025 m2。

綜合上述分析可知：隨著中心霧化孔壓力增大，涂層中心厚度迅速增大，在壓力從0.04 MPa變為0.30 MPa過程中，涂層厚度從3 μm迅速增大到27 μm，噴涂面積減小，涂料主要集中在成膜圖形的中心位置，成膜圖形的邊緣位置涂料稀少，造成涂層變化不平緩。

圖8 長軸截面涂層厚度分布

圖9 短軸截面涂層厚度分布

壓力/MPa長軸長度/cm 短軸長度/cm 成膜面積/m2 0.044010.00.0440.123014.00.0330.202514.20.0250.242314.50.0250.302015.00.025

4 實驗

實驗采用特威空氣噴槍，噴槍距離平板工件180 mm進行噴涂作業。其中涂料動力黏度為0.096 86 kg·m-1·s。調整中心霧化孔壓力為0.12、0.30 MPa進行噴涂實驗，噴涂時間為2 s，利用秒表計時。噴涂完成后將工件置于自然通風條件下2 d，待涂料固化后，使用涂層測厚儀測量干膜厚度。測量長軸涂膜厚度時，每隔5 mm取一個測量點，每個點位測量4次,取平均值，得到的漆膜厚度除以4得到噴涂0.5 s的涂層厚度。

壓力為0.12、0.30 MPa下得到的實驗和仿真結果分別如圖10(a)、(b)所示，其中仿真圖形外周深藍色(如圖7)為小于1 μm涂層，取涂層厚度大于1 μm的內部仿真圖形，得到的圖形形狀、大小與實驗結果一致。

圖10 不同壓力下的噴涂圖形

為進一步分析試驗和仿真結果的近似度，對長軸涂層厚度分布的實驗和模擬結果進行對比，結果如圖11所示。其中坐標原點在成膜圖形的中心，橫軸為噴霧圖形的長軸坐標。壓力為0.12、0.30 MPa時得到的模擬結果與實驗得到的涂層厚度分布的平均方差分別為9%和8.5%。因此，模擬和實驗得到的涂層厚度分布吻合，驗證了仿真結果的正確性。

5 結論

2) 在扇面空氣孔壓力、涂料流量等條件不變的情況下，隨著中心霧化孔壓力增大，噴霧流場長軸方向噴幅變小，短軸方向噴幅逐漸增大；當壓力增大到一定數值時，噴幅趨于穩定，長短軸噴幅寬度趨于相近。

圖11 實驗和仿真長軸涂層厚度對比

3) 隨著中心霧化孔壓力增大，涂層長軸長度減小，短軸長度增大，成膜面積逐漸減小，涂層中心厚度增大，涂層中心和邊緣厚度分布差距變大；當壓力增大到一定數值時，成膜面積趨于穩定。

4) 在其他條件不變的情況下，中心霧化孔需要在合適的壓力下才能得到合適噴涂面積和涂層厚度。中心霧化孔壓力過大會導致噴涂面積過小、涂層厚度分布不均勻；中心霧化孔壓力過小會導致噴涂面積過大、涂層厚度太薄。

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