產品噴涂裝置Fluent仿真內部流場數值分析

李東來 張文華 張宏斌 陳淑鑫

（齊齊哈爾大學，齊齊哈爾 161006）

隨著現代工業智能機械的快速發展，產品對外表面保護和視覺效果的要求越來越高，因此產品外表面需要均勻涂覆漆料。目前，國內產品造型生產的整個行業裝備處于效率低、成本高階段[1]。工業生產中，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，人工手動噴涂作業方式噴涂效率低，且霧化漆霧彌漫在空氣中既污染周邊環境又危害人身健康。究其原因，主要是設備結構設計不夠完整，技術水平不夠高。機械噴涂在保證噴涂質量的同時不僅可以大批量生產，也能保護人體健康，廣泛應用于生產加工。針對此類問題，本文通過Fluent軟件數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，提出調節噴嘴口徑漸擴變化、適當調節噴嘴與噴涂產品間距等措施。

1 機械噴涂設備

機械噴涂設備包括噴涂設備的噴嘴霧化和噴涂效率的優化。單俊鑫利用Fluent軟件對優化的噴槍結構進行內部流場分析，發現優化后的2T+2Y型混合室明顯優于1-1T混合室，得出合理的混合級數，可有效提高涂料的利用率[2]。盧林春利用Fluent軟件對噴嘴內部流場進行數值模擬，得出在保證噴嘴內部空氣入口壓力恒定的前提下，對噴嘴混合腔內的壓力、流速進行模擬分析[3]。曹建明、朱輝等人對一種新型的內混式空氣霧化噴嘴進行測量和研究，發現當氣壓穩定在某一數值時，噴霧錐角與水流量呈正相關趨勢，而當水流量穩定在某一數值且無空氣助力時，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構參數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，并驗證在最佳參數下噴嘴的噴射角和射流流量都得到了顯著提升[5]。

2 現代涂裝方法

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使用，使得涂層更均勻。輥涂主要應用轉輥進行產品噴涂，涂料均勻分布在轉輥表面，然后通過轉輥轉動將涂料均勻涂飾在產品表面[6]。輥涂具有操作簡單、節省原料等特點，但對加工產品表面要求較為苛刻，因此不能應用于加工異形工件[7]。

2.2 淋涂

淋涂是將涂料槽中涂料通過噴槍或窄縫對產品進行淋涂。涂料呈瀑布狀淋在被加工的產品上，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，則會延長產品加工時間。它的優勢在于對涂料黏度要求范圍較寬，只需滿足產品漆膜厚度要求，選用適當的涂料黏度即可。淋涂可應用于對膜厚精準度要求較高的產品，但不適用于顏色種類多樣的產品，易造成涂料浪費，只適用于同種涂料反復淋涂。

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。噴涂工藝廣泛應用于各種形狀的產品，對噴涂產品表面形態沒有較高的要求，漆膜均勻且細膩。

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、扇形調節鈕和手柄。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，側面有空氣和輔助空氣孔。根據用途的不同，對應孔的位置、數量和孔徑等各有差異。空氣帽、噴嘴和噴針是配套的，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品生產。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，需根據不同的產品選用相應的口徑。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建模后導入icem中實現網格劃分。噴管部分和噴嘴部分均為對稱結構，形狀規則，因此兩個部分都可以采用六面體結構進行網格劃分。

4.1 網格劃分

在icem中設置最大網格尺寸為2 mm，最小網格尺寸為1 mm，生成網格總數為82 657個，如圖2所示。part部分將噴管入口截面設成inlet，噴嘴出口截面設成output，其余面定義為wall。生成網格后須調節網格質量，而網格質量直接影響求解精度。利用Vertices進行局部調節使網格接近規則形狀，同時對漸擴段細節部分進行網格加密，達到提高網格質量的目的，使計算結果更接近真實值[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

將生成好的網格轉化為非結構化網格，在output中選擇ANSYS Fluent求解器后導入Fluent軟件，再次檢查網格質量后進行模型選擇。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模型模擬參數選擇無線網絡控制器（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，設置入口原料設定為水與空氣；output部分定義為壓強出口與大氣連通，重力設置為-9.81 m·s-1；wall部分設置為無滑移條件，即速度和湍流度均為零。

4.4 調用求解器

完成網格劃分、計算模型選擇以及邊界條件的設定后調用求解器。為了更好地提高求解精度，實驗采用Pressure-Based模型進行求解。松弛因子設為0.75，經過多次模擬計算發現，松弛因子較小，發散概率較低，最終計算結果較貼近真實值。創建監控類型，結合靜壓、整個速度梯度以及湍流強度進行監控。為保證計算結果有更好的收斂性，實驗將收斂精度設置為10-6。以上所述控制參數設置完畢后，便可開始進行迭代計算。

4.5 仿真分析結果

利用軟件分析，結果如圖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。口徑變化較大的噴嘴也會產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生完全碰撞，導致粒子較粗，達不到霧化要求。

通過多次反復模擬后發現，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生碰撞，造成涂料飛濺現象。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化后的噴嘴內兩相流動。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，可調節噴嘴套裝尺寸，也可針對不同噴涂產品更換不同噴嘴的套裝。

5 結語

模擬發現，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。根據模擬結果進行分析，采用不同噴嘴套裝、選用適當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，調節噴嘴口徑漸擴變化、適當調節噴嘴與噴涂產品間距等可改善存在的問題。