高壓無氣噴涂扇形噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對內(nèi)部流場影響的數(shù)值模擬

劉 鑫，湯曉華，李擎遠(yuǎn)

（北京工商大學(xué) 人工智能學(xué)院，北京 100048）

隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，噴涂技術(shù)也變得更加機(jī)械化、自動(dòng)化、連續(xù)化。高壓無氣噴涂是噴涂技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的一種，因其噴涂效率高、涂層效果好而被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1]。高壓無氣噴涂的工作原理是通過高壓柱塞泵的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，吸取涂料箱中的涂料并進(jìn)行加壓，涂料經(jīng)加壓后達(dá)到7.5~30 MPa 通過噴嘴噴出，當(dāng)涂料離開噴嘴時(shí)涂料的壓力會(huì)迅速衰減到零，流速會(huì)急速升高，涂料速度一般能達(dá)到100 m/s，與空氣中的介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的碰撞，被破裂成粒子狀，直到速度降到零，附著在被噴涂物表面形成漆膜[2]。

噴嘴是噴涂設(shè)備中涂料霧化轉(zhuǎn)換成噴霧的關(guān)鍵元件，加壓后的涂料在噴嘴內(nèi)部流動(dòng)時(shí)要保持良好的流動(dòng)特性和運(yùn)動(dòng)特性，噴嘴的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使得涂料在離開噴嘴時(shí)，由高壓力低流速轉(zhuǎn)化為低壓力高流速的狀態(tài)并產(chǎn)生涂料霧化[3]，所以通過研究噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析其結(jié)構(gòu)參數(shù)對涂料流動(dòng)狀態(tài)和射流效果的影響，有利于提升噴涂機(jī)的霧化性能和噴涂效率。張新銘等[4]通過Fluent 模擬仿真計(jì)算，分析了高壓水扇形噴嘴主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對其內(nèi)部流場的影響，文獻(xiàn)[5-6]研究了無氣噴涂過程中不同扇形噴嘴入口結(jié)構(gòu)對內(nèi)部流場中壓力衰減及速度梯度的影響并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[7-8]研究了扇形噴嘴高壓射流過程中的射流特性。

本文以非牛頓黏性流體乳膠漆作為無氣噴涂的涂料，運(yùn)用ANSYS Fluent 軟件，對高壓無氣噴涂過程中不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的扇形噴嘴內(nèi)部涂料的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到了噴嘴內(nèi)部涂料流體的壓力分布和流速分布，經(jīng)過分析找到噴嘴收縮角，出口段長徑比，出口切槽夾角的變化對噴嘴內(nèi)部流體壓力和流速的影響規(guī)律。

1 噴嘴內(nèi)部三維建模

1.1 扇形噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)及參數(shù)

扇形噴嘴的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為入口、收縮段、出口段，圖1 為扇形噴嘴內(nèi)腔及出口結(jié)構(gòu)圖。本文噴嘴入口收縮段結(jié)構(gòu)形式為錐形，主要幾何參數(shù)為入口段直徑D（mm），收縮角β（°），出口段直徑d（mm），出口段長度l（mm），內(nèi)腔長度L（mm），V 型切角半角α（°）。本文所用噴嘴參數(shù)為入口段直徑D=3 mm，內(nèi)腔長度L=10.5 mm，收縮角β=13°，出口段直徑d=1.14 mm，出口段長度l=2.5 mm，V 型切角半角α=30°。

圖1 扇形噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.2 扇形噴嘴結(jié)構(gòu)的三維建模

采用圓錐收斂型扇形噴嘴，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)為收縮角β（°），出口長徑比l/d，V 形切槽夾角α（°），在三維建模軟件Inventor 中，依據(jù)不同的收縮角、長徑比、V 形切槽夾角建立多個(gè)模型。

2 數(shù)值分析與仿真分析

2.1 數(shù)學(xué)模型與控制方程

已知涂料乳膠漆的密度ρ=1 500 kg/m3，動(dòng)力黏度μ=0.228 7 pa·s，假設(shè)流體是不可壓縮且連續(xù)的理想流體。

在管道內(nèi)的流體流動(dòng)有2 種流動(dòng)狀態(tài)，分別為層流和湍流，根據(jù)雷諾公式

式中：p、v、d、μ 分別為流體的密度、流速、直徑與動(dòng)力黏度。

當(dāng)雷諾數(shù)超過臨界值時(shí)，慣性力對流場的影響大于黏滯力，層流就變?yōu)橥牧?，本文涂料為乳膠漆，屬于黏性非牛頓流體，臨界值為8 000，可算得該涂料在噴嘴內(nèi)流動(dòng)雷諾數(shù)低于8 000，流動(dòng)狀態(tài)為不可壓縮穩(wěn)態(tài)層流流動(dòng)，故可使用N-S 方程作為控制方程，采用Laminar 層流黏性模型建立封閉方程組[9]。

連續(xù)性方程在直角標(biāo)坐標(biāo)系下表達(dá)式為

式中：ux、uy、uz分別為流體在x、y、z 三個(gè)方向的速度分量；t 為時(shí)間；ρ 為密度。

因?yàn)閲娮靸?nèi)部為不可壓縮流動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)ρ 為常數(shù)，于是連續(xù)性方程可簡化為

動(dòng)量方程（N-S 方程）在自然坐標(biāo)系下表達(dá)式為

式中：p 為流體微元體上壓強(qiáng)；μ 為動(dòng)力黏度；Sux、Suy、Suz為廣義源項(xiàng)。

2.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件的設(shè)置

將在Inventor 中完成噴嘴結(jié)構(gòu)的三維造型導(dǎo)入到Ansys/Space Claim 中，對模型定義流體入口、出口及內(nèi)壁等邊界后，在Mesh 進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分，保證合適的網(wǎng)格大小和單元個(gè)數(shù)，然后在Fluent 中進(jìn)行計(jì)算設(shè)置，選擇3D 雙精度求解器，Simplec 算法對流體壓力和速度進(jìn)行耦合計(jì)算，壓力的插值選擇二階插值，離散格式采用second-order upwind difference scheme，收斂殘差條件設(shè)置為le-4，迭代次數(shù)設(shè)置為500，邊界條件將入口inlet 設(shè)為壓力入口，壓力為10 MPa，出口outlet 設(shè)為壓力出口，相對靜壓設(shè)置為0。其余設(shè)置為無滑移避免，所有的速度分量設(shè)置為0，流體涂料為乳膠漆，介質(zhì)密度ρ=1 500 kg/m3，動(dòng)力黏度μ=0.228 7 pa·s。

3 仿真結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 收縮角β 對涂料流動(dòng)狀態(tài)的影響

在保證噴嘴出口切槽半角α=30°，出口長徑比l/d=2.2，其他內(nèi)部參數(shù)都不變的情況下，對收縮段收縮角分別為10°、13°、30°和50°的噴嘴分別建立模型，進(jìn)行噴嘴內(nèi)部流場模擬仿真，仿真計(jì)算結(jié)果如圖2 所示。

圖2 噴嘴收縮角對內(nèi)部流場流速和壓力的影響

圖2（a）為內(nèi)部流場流速變化曲線，橫軸為噴嘴軸心線距離，噴嘴入口軸心位置為零點(diǎn)。在收縮角為10°和13°時(shí)，噴嘴內(nèi)射流速度梯度上升變化平緩；而收縮角為30°和50°時(shí)，收縮段的速度梯度上升變化加大。

圖2（b）為內(nèi)部流場壓力變化曲線，在收縮角為10°和13°時(shí)，噴嘴內(nèi)射流壓力衰減梯度平緩；而收縮角為30°和50°時(shí)，收縮段的壓力衰減梯度加大。這是由于噴嘴收縮段收縮角變大，相應(yīng)的收縮段長度會(huì)減少，射流收縮加快，導(dǎo)致在噴嘴收縮段的壓力和速度梯度變化劇烈，這會(huì)使噴嘴內(nèi)部流場穩(wěn)定性降低。通過仿真結(jié)果可知，收縮角的變化對噴嘴內(nèi)部流場速度梯度和壓力梯度產(chǎn)生影響，收縮角在10°~13°時(shí)，噴嘴內(nèi)部射流速度梯度和壓力梯度平緩，有利于減少?zèng)_擊和對噴嘴的磨損。

表1 為在不同收縮角的情況下，收縮末端和射流出口的軸心速度值，可以看出，在射流出口位置的軸心射速，隨著噴嘴收縮角的增大而增大，而收縮段末端速度隨著收縮角的增大而降低。

表1 不同收縮角時(shí)的流速

3.2 出口長徑比l/d 對涂料流動(dòng)狀態(tài)的影響

在保持噴嘴出口切槽半角α=30°，收縮角β=13°，其他內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，通過改變出口段長度l，使出口段長徑比分別為l/d=1、2、4、6，分別建立仿真模型，然后進(jìn)行噴嘴內(nèi)部流場的模擬仿真計(jì)算。

由圖3（a）改變長徑比下的速度變化曲線所示，不同長徑比的情況下，在噴嘴入口位置到進(jìn)入收縮段之前，涂料射流速度上升的趨勢基本相同，但在收縮段處不同出口長徑比下的射流速度梯度有了很大不同，出口長徑比l/d=6 的速度梯度比較平緩。從不同長徑比時(shí)的軸心速度值表2 中的數(shù)據(jù)可以看出，l/d=2 和4 時(shí)，噴嘴收縮末端和射流出口的軸心速度值相對較大。而l/d=6 時(shí)，噴嘴收縮末端和射流出口的軸心速度值最小。

表2 不同長徑比時(shí)的速度值

圖3 出口段長徑比對內(nèi)部流場流速和壓力的影響

壓力變化曲線如圖3（b）所示，隨著長徑比的增加（出口段長度的逐漸增大），內(nèi)部流場壓力梯度變化平緩，但收縮末端和射流出口的壓力值較小。

通過仿真結(jié)果分析得出，出口長徑比對噴嘴內(nèi)部流場有一定的影響，隨著長徑比的增加，噴嘴收縮末端和射流出口的軸心速度值會(huì)減小。

3.3 切槽夾角對涂料流動(dòng)狀態(tài)的影響

在保持噴嘴長徑比l/d=2，收縮角β=13°，其他內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，改變切槽的半角α 分別為15°、30°、45°和60°后，創(chuàng)建模型并進(jìn)行噴嘴內(nèi)部流場的模擬仿真。

如圖4 所示，隨著切槽夾角的增加，收縮段入口到6~7 mm 處，涂料流動(dòng)過程中的速度梯度和壓力梯度基本一致。但在收縮段末端，流體的速度梯度和壓力衰減梯度會(huì)隨著切槽夾角的增大而加大，而到了出口段位置流體的速度梯度和壓力梯度又基本一致。

圖4 噴嘴切槽夾角對內(nèi)部流場流速和壓力的影響

由表3 可看出，噴嘴的切槽夾角對流體在收縮末端和射流出口處流速有一定的影響，這是由于噴嘴出口處切槽夾角決定著噴嘴出口射流的散射角和集束性，隨著切槽夾角角度的增加，噴嘴射流速度也會(huì)增加，但射流的集束性卻在降低，而射流集束性的不同也會(huì)對無氣噴涂的效率及涂層質(zhì)量產(chǎn)生影響，需要根據(jù)在不同的工作狀況和噴涂條件下選擇不同切槽夾角的噴嘴[10]。

表3 不同V 形槽半角時(shí)的速度值

4 結(jié)論

通過對扇形噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析，分別改變噴嘴的收縮角、出口段長徑比和切槽夾角建立多個(gè)模型并導(dǎo)入到Fluent 中進(jìn)行模擬計(jì)算，通過繪圖分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對高壓無氣噴涂過程中噴嘴內(nèi)部涂料流動(dòng)狀態(tài)的影響，結(jié)果表明，收縮角的變化對內(nèi)部流場速度梯度和壓力梯度影響較大，速度梯度和壓力衰減梯度會(huì)隨著收縮角的增大而增大；長徑比的改變會(huì)對噴嘴出口段流場的速度梯度和壓力梯度造成影響，長徑比的增大，出口段流場的速度梯度和壓力梯度會(huì)變得平緩。但由于長徑比增長，出口段長度增加，會(huì)造成壓力和流速的損失；隨著切槽夾角的增大，在收縮段尾端流體的速度梯度和壓力衰減梯度也會(huì)隨之加大，而到了出口段位置流體的速度梯度和壓力梯度又基本一致，同時(shí)切槽夾角越大，收縮末端和射流出口處流速越高，但集束性變差。