磨料氣射流預(yù)處理的射流模擬與分析

陳蒙，趙洋洋，盧文壯

(南京航空航天大學(xué) 直升機(jī)傳動(dòng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016)

0 引言

磨料氣射流加工可通過(guò)噴射低密度的軟性塑料磨粒對(duì)CFRP(carbon fiber reinforced plastics)進(jìn)行首次涂裝的表面預(yù)處理。CFRP表面含有脫模劑的吸附層[1]，在軟性磨料“半柔半剛”的沖擊和剪切作用下被剝離脫落。磨料氣射流預(yù)處理技術(shù)由于加工效率高、對(duì)基材損傷較小、成本低、產(chǎn)生的污染物少等優(yōu)點(diǎn)，可作為一種新型涂裝表面預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料。

射流束的特征直接關(guān)系到涂裝表面預(yù)處理效果，而磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡主要是受系統(tǒng)氣相流場(chǎng)的影響。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，CFD仿真技術(shù)可對(duì)氣相流場(chǎng)和磨粒的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬計(jì)算，得到大致結(jié)果。先前大多數(shù)研究主要是對(duì)硬性磨料的射流仿真[2-4]，而對(duì)軟性磨料的仿真研究較少。由于磨料氣射流預(yù)處理時(shí)的氣相流場(chǎng)處于湍流狀態(tài)，二維仿真并不能直觀模擬湍流的本質(zhì)特征，本文采用有限元軟件，建立了氣射流預(yù)處理的三維流場(chǎng)模型，分析不同噴射壓力下氣射流的流場(chǎng)分布情況，研究磨粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得到射流束的特征，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，獲得符合CFRP首次涂裝表面預(yù)處理要求的工藝參數(shù)。

1 射流三維仿真模擬

磨料噴射裝置按照磨料添加方式一般可分為壓入式和吸入式兩種。吸入式磨料噴射裝置由于設(shè)備輕巧、對(duì)軟管傷害小、操控性好、購(gòu)置和運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)所采用的磨料噴射裝置為9060A型噴砂機(jī)，其中吸入式噴砂槍主要由氣嘴、砂嘴、噴槍體和噴嘴組成，如圖1所示。

圖1 吸入式噴砂槍剖視圖

考慮到磨料主要加速區(qū)域是在噴砂槍內(nèi)，因此模型縮短了砂管長(zhǎng)度，并根據(jù)氣體流道實(shí)際尺寸，簡(jiǎn)化流場(chǎng)區(qū)域，其中外圍流場(chǎng)區(qū)域的長(zhǎng)度為80 mm。將建立好的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了能細(xì)化邊界，劃分網(wǎng)格時(shí)需對(duì)流場(chǎng)邊界添加3層增長(zhǎng)率為1.2的膨脹層。

噴砂槍在自由噴射時(shí)，氣相流場(chǎng)處于湍流狀態(tài)，在此引入兩方程的Realizablek-e模型對(duì)圓柱射流的流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬。當(dāng)氣體流動(dòng)發(fā)展后，氣射流的流場(chǎng)趨于穩(wěn)定，于是對(duì)于時(shí)間求解器選擇穩(wěn)態(tài)，求解方法選擇壓力速度耦合的SIMPLEC算法。Realizablek-e模型中對(duì)所有壁面取加強(qiáng)壁面函數(shù)，模型常量為C2ε、σk、σε，能量Prandtl數(shù)和壁面Prandtl數(shù)分別設(shè)置為1.9、1、1.2、0.85和0.85。梯度插值選擇格林-高斯基于單元體，對(duì)動(dòng)量、能量、密度及湍流相關(guān)方程，使用一階精度迎風(fēng)格式離散。假設(shè)空氣為理想氣體、不考慮重力影響、服從絕熱流動(dòng)、壁面為無(wú)滑移邊界，對(duì)流場(chǎng)混合初始化后進(jìn)行求解。待流場(chǎng)計(jì)算收斂后，激活離散相模型(DPM)，假設(shè)磨粒為表面光滑球形，考慮壓力梯度力并激活雙方向湍流耦合，忽略熱浮力、Saffman升力和Magnus升力[5]，在砂嘴處采用面射流源方式添加磨料，對(duì)磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 氣相流場(chǎng)仿真結(jié)果分析

氣相流場(chǎng)的速度云圖如圖2所示。當(dāng)壓縮空氣經(jīng)調(diào)壓閥調(diào)壓后，以穩(wěn)定速度在氣管內(nèi)流動(dòng)，流速幾乎不變。當(dāng)氣嘴口徑突變后，氣體靜壓力瞬間減小并轉(zhuǎn)化為壓縮空氣的動(dòng)壓，使得空氣流速瞬間增大。之后壓縮空氣在氣嘴流動(dòng)中逐步減壓加速，當(dāng)氣流到達(dá)混合室時(shí)，速度已超過(guò)音速。當(dāng)超音速的氣流進(jìn)入混合室后，氣體急速擴(kuò)張并膨脹，靜壓力急速減小并形成負(fù)壓，使得氣體流速急劇增大，且隨著噴射壓力的增大，氣體最大流速隨之增大。正是由于氣體在混合室內(nèi)的高速流動(dòng)，導(dǎo)致混合室內(nèi)形成負(fù)壓，使得砂管內(nèi)磨料被引射入噴砂槍中。如果氣流在混合室內(nèi)流速過(guò)小，導(dǎo)致混合室內(nèi)形成負(fù)壓較低，對(duì)磨料的引射能力較差，使得磨粒入射速度和流量較小，嚴(yán)重影響CFRP首次涂裝表面預(yù)處理效果。當(dāng)噴射壓力到達(dá)0.3 MPa以后，氣流在混合室內(nèi)形成的流速趨于穩(wěn)定。因此結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)0.3 MPa～0.6 MPa噴射壓力下的氣相流場(chǎng)在中心軸線方向上靜壓力和流速情況進(jìn)行仿真模擬，如圖3所示。當(dāng)壓縮空氣進(jìn)入噴嘴的收斂段后，氣流開始聚集。對(duì)于超音速氣流而言，dA(管道截面變化率)×dv(氣體流速變化率)>0。因此，收斂段截面逐步減小的管道屬于擴(kuò)壓器。超音速氣流經(jīng)過(guò)擴(kuò)壓器后流速降低，動(dòng)壓轉(zhuǎn)化為靜壓，直至壓縮氣體從噴嘴中流出。當(dāng)壓縮氣體從噴嘴噴出并進(jìn)入外界大氣后，由于氣流不再受管壁的約束，射流開始逐步發(fā)散，并且噴射壓力越大，氣體發(fā)散程度也越劇烈。當(dāng)距離逐漸變遠(yuǎn)時(shí)，氣體流速逐步降低，壓力逐步逼近外界大氣壓。

圖2 Z=0切面流場(chǎng)速度分布

圖3 中心軸線方向的靜壓力和流速分布

2.2 射流束仿真結(jié)果分析

基于對(duì)氣相流場(chǎng)仿真結(jié)果的分析，對(duì)噴射壓力為0.3 MPa～0.6 MPa間的氣相流場(chǎng)中添加離散相軟性磨粒，進(jìn)行射流束的仿真模擬，如圖4所示。當(dāng)磨粒進(jìn)入混合室后，由于高速流動(dòng)的氣體不斷與磨粒之間存在動(dòng)量轉(zhuǎn)換，使得磨粒的速度持續(xù)增大，而且隨著噴射壓力的增大，磨粒獲得的速度也越大。當(dāng)噴射壓力為0.3 MPa和0.4 MPa時(shí)，射流束的完整性保持較好。但當(dāng)噴射壓力繼續(xù)增大時(shí)，射流束發(fā)散愈加劇烈。對(duì)于CFRP首次表面涂裝預(yù)處理而言，如果磨粒的入射速度過(guò)大，會(huì)加劇CFRP表面碳纖維的損傷，而射流束的過(guò)度發(fā)散會(huì)嚴(yán)重影響預(yù)處理效果。仿真結(jié)果表明，0.3 MPa或0.4 MPa的噴射壓力適合對(duì)CFRP進(jìn)行首次涂裝表面預(yù)處理。

圖4 射流束仿真模擬

3 預(yù)處理實(shí)驗(yàn)

在仿真分析的基礎(chǔ)上，預(yù)處理實(shí)驗(yàn)選擇靶距H=48 mm，噴射角度α=70°，磨料粒徑dp=420～590 μm，移動(dòng)速度ν=12 mm/s，在不同噴射壓力下對(duì)CFRP進(jìn)行首次涂裝表面預(yù)處理實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)噴射壓力<0.3 MPa時(shí)，由于磨粒獲得的速度和被引射入噴射槍的磨料數(shù)量較少，導(dǎo)致去除能力較弱，CFRP表面脫模劑無(wú)法完全清除，水膜無(wú)法保證在30 s內(nèi)連續(xù)不破裂[6]；首次表面涂裝預(yù)處理不合格；當(dāng)噴射壓力為0.3 MPa時(shí)，CFRP表面吸附層去除均勻，水膜試驗(yàn)?zāi)鼙３?0 s內(nèi)連續(xù)不破裂，水膜試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。同時(shí)由于磨粒獲得了合適的入射速度，預(yù)處理后的CFRP表面碳纖維并沒有發(fā)生損傷現(xiàn)象(圖6)。當(dāng)噴射壓力在0.3 MPa以上時(shí)，雖然水膜可以保持30 s內(nèi)連續(xù)且不破裂，但由于磨粒的入射速度過(guò)大，使得CFRP表面碳纖維發(fā)生斷裂現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)表明，采用0.3 MPa的噴射壓力對(duì)CFRP進(jìn)行首次涂裝表面預(yù)處理可以滿足涂裝要求。

圖5 噴射壓力為0.3 MPa的試件水膜試驗(yàn)

圖6 噴射壓力為0.3 MPa的試件表面形貌

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)磨料氣射流預(yù)處理的流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行論證，得出了如下結(jié)論：

1)當(dāng)噴射壓力在0.3 MPa以下時(shí)，由于氣流在混合室內(nèi)形成的流速較小，產(chǎn)生的負(fù)壓較低，對(duì)磨粒的引射和加速作用較弱，使得磨粒到達(dá)工件表面的入射速度和數(shù)量較小，預(yù)處理能力較弱；

2)當(dāng)噴射壓力為0.3 MPa和0.4 MPa時(shí)，射流束發(fā)散程度較低，完整性保持較好。而當(dāng)噴射壓力繼續(xù)增大時(shí)，射流束發(fā)散程度較為劇烈，使得預(yù)處理效果變差；

3)采用0.3 MPa的噴射壓力對(duì)CFRP進(jìn)行首次涂裝表面預(yù)處理滿足涂裝要求。當(dāng)噴射壓力>0.3 MPa時(shí)，由于磨料獲得了較大的入射速度，導(dǎo)致CFRP表面碳纖維產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象。