静电涂装的影响因素与FLUENT仿真

王战中，杨晨霞，张保真，张明亮

(石家庄铁道大学机械工程学院，河北 石家庄 050043)

1 引言

随着我国综合国力的提升，汽车行业已经逐渐成为我国重要的经济支柱产业，静电涂装逐渐成为汽车喷涂行业的发展趋势，汽车喷涂工艺[1]不断完善，喷涂质量不断提升。在汽车喷涂过程中，存在多种影响静电涂装的因素。为了有效提升涂料雾化程度，提高汽车喷涂质量，需对影响静电涂装的各项因素进行研究和仿真，从而为合理选择静电涂装参数提供理论依据和实践指导。

中国科技大学陈效鹏和董绍彤等，研究了与雾化现象有关的参数，提出了静电雾化现象中不同流动

状态形成的不同的模型[2]。广东工业大学的彭成新在其硕士学位论文中指出静电喷涂过程中输入变量比较多(如喷涂电压，旋杯转速，喷涂间距等)，且这些变量都是非线性变量，变量之间的耦合关系极其复杂。当利用遗传算法优化后的神经网络系统对真空度、喷涂时间、静电电压、电流、涂漆量、雾化气压、扇形气压等喷涂参数进行多次计算实验[3]，但在数值模拟各因素对雾化效果的影响及多因素同时对雾化效果的影响方面的研究还较少。选用ANSYS软件中的FLUENT模块以控制变量法对高速旋杯式静电雾化器各因素与雾化效果的关系进行仿真，以压力分布

图和速度曲线图描述静电雾化的效果。有效地提升涂料的雾化效果和汽车的喷涂质量，为选择合理的静电涂装参数提供理论指导。

2 静电涂装的原理

静电涂装是近年来发展的新型涂装技术，能满足大规模自动涂装生产线。且由于车体本身是导体，满足静电涂装的要求，因此适合以静电方式实现车体表面的涂装工艺。

直流电晕放电示意图，如图1所示。左右分别是一针状电极和一平板电极，当在两电极间施加万伏高压静电电场时，针状电极尖端将以极其强烈的速度放出电子，通过这种方式使空气呈现导电的现象，即电晕放电。电晕放电起始电压与极性之间的关系，如图2所示。在相同的极间距下，负极性电晕放电起始电压比正极电晕放电起始电压低，且形成的电晕放电更稳定，方便使用。为了使带有负电荷的涂料雾滴在电场力的作用下，吸附到正极的车体表面，完成涂装过程，因此在实际涂装过程中，普遍采用负极性静电喷涂。由于同种电荷互相排斥的原理，新吸附的涂料雾滴会更倾向于沉积到未喷涂的车体表面，从而使车体涂装更均匀。另外由于车体接地保护，因此能够很快地将涂料雾滴携带的负电荷传递到大地，而不会累积，这样就不会影响车体对随后涂料雾滴的吸附。

图1 直流电晕放电示意图Fig.1 Diagram of DC Corona Discharge

图2 电晕放电起始电压与极性之间的关系Fig.2 The Relation between the Initial Voltage and Polarity of Corona Discharge

3 仿真参数设定

3.1 流体材料的选定

对高速旋杯式静电雾化器结构进行流体仿真时，选择液态涂料和气态旋转限幅空气完成两相材料的确定。流体属性参数表，如表1所示。

表1 流体属性参数表Tab.1 Fluid Attribute Parameter Table

3.2 主相和副相的设置

涂料通过高速旋杯式静电雾化器进行雾化，由于旋转限幅空气影响涂料雾化效果，在雾化器内部可以看成液态涂料与气态旋转限幅空气的混合，将主相phase-1设置为液态涂料，将副相phase-2设置为气态旋转限幅空气。

3.3 模型的建立和网格的划分

由于高速旋杯式静电雾化器结构具有轴对称性，因此雾化器内部的流体区域可沿轴向中心线所在的截面简化为二维模型[4]。基本参数如下：涂料入口直径为50mm的圆孔，旋转限幅空气入口为10mm的圆孔，高速旋杯式静电雾化器出口为直径为240mm，高300mm的圆柱体边界。雾化器流体模型网格划分图，如图3所示。

图3 雾化器流体模型网格划分图Fig.3 Mesh Generation Diagram of Nebulizer Fluid Model

在ANSYS软件的FLUENT模块[5]，对影响高速旋杯式静电雾化器雾化效果的主因素进行仿真[6]，通过压力分布图和速度曲线图刻画各因素对静电涂装的效果[7-8]。

4 影响雾化效果主要因素的仿真

4.1 中心孔直径对雾化效果的影响

不同中心孔直径下的压力分布图，如图4所示。由于雾化器内部截面呈轴对称分布，以雾化器中心轴为对称轴，压力分布图均呈现轴对称分布。沿涂料入口至出口方向，由于雾化器内部流动过程中存在流动阻力和局部阻力，压力值总体呈现逐渐减小的趋势。雾化器涂料入口横截面附近产生显著压力变化，其主要原因是雾化器内部涂料流动方向的改变 旋转限幅空气的作用和雾化器内部截面的缩小。图4(a)～图4(d)中，最大压力值分别为1634.644Pa，1060.204Pa，828.869Pa，702.122Pa。随着中心孔直径的增大，最大压力值逐渐减小，且各部分压力值均呈现减小的趋势。表明在一定条件下，中心孔直径越大，压力值越小，涂料的雾化效率越低。

图4 不同中心孔直径下的压力分布图Fig.4 Pressure Distribution Diagram of Different Center Hole Diameters

不同中心孔直径下雾化器出口各点的速度曲线图，如图5所示。雾化器出口边界各点的速度变化较为明显，涂料速度先下降，随着两侧旋转限幅空气的交汇，涂料速度呈现上升的趋势，在涂料速度上升达到峰值后，随着轴向间距的增大，旋转限幅空气的能量消耗随之增大，各点速度缓慢下降。在图5(a)～图5(d)中，随着中心孔直径的增大，涂料速度峰值点和极小值点逐渐左移。由于涂料粒子受重力和离心力的影响，雾化器两侧对称出口边界的涂料速度不一致。当中心孔直径为60mm时，雾化器两侧对称出口边界的涂料速度差更明显。通过以上对不同中心孔直径仿真结果可知，当其他仿真参数不变时，为保证雾化效果，中心孔直径的最佳选择范围为(40～60)mm。

图5 不同中心孔直径下雾化器出口各点的速度曲线图Fig.5 Velocity Curve of Atomizer Outlet Points with Different Center Hole Diameters

4.2 旋转限幅空气入口交角对雾化效果的影响

不同旋转限幅空气入口交角下的压力分布图，如图6所示。压力分布图整体呈轴对称分布。在雾化器入口至雾化器出口方向，涂料在流动阻力与旋转限幅空气的促进作用下，压力分布图呈带状分布。在图6(a)～图6(d)中，最大压力值分别为1042.404Pa，1041.282Pa，1040.371Pa，1040.834Pa。随着旋转限幅空气入口交角的增大，最大压力值逐渐减小，由于旋转限幅空气碰撞到雾化器边缘，造成气体能量损耗和气流散射，雾化器中各区域压力值依次减小，雾化效率降低。当旋转限幅空气入口交角增大至30°，雾化器中各区域压力值开始增大，雾化效率提高。

图6 不同旋转限幅空气入口交角下的压力分布图Fig.6 Pressure Distribution Map at Different Intersection Angles of Rotary Limited Air Inlet

不同旋转限幅空气入口交角下雾化器出口各点的速度曲线图，如图7所示。图7中可以看出，雾化器出口各点的速度不同，涂料速度先逐渐下降，在达到旋转限幅空气交汇点后，在旋转限幅空气的影响下，涂料速度逐渐上升，但随着轴向间距的增大，旋转限幅空气的能量逐渐降低，因此雾化器出口的各点涂料速度缓慢下降。在图7(a)～图7(d)中，随着旋转限幅空气入口交角的增大，涂料速度峰值点和极小值点逐渐右移。

图7 不同旋转限幅空气入口交角下雾化器出口各点的速度曲线图Fig.7 Velocity Curve of Atomizer Exit Points at Different Rotary Limit Air Inlet Angles

通过以上对不同旋转限幅空气入口交角仿真结果可知，当其他仿真参数不变时，为保证雾化效果，旋转限幅空气入口交角的最佳选择范围为大于20°。

4.3 中心孔直径与旋转限幅空气入口交角同时对雾化效果的影响

为探索旋杯中心孔直径与旋转限幅空气入口交角的影响，设置中心孔直径及旋转限幅空气入口交角的基本参数和四组对比参数。中心孔直径与旋转限幅空气入口交角的参数设置，如表2所示。

表2 中心孔直径与旋转限幅空气入口交角的参数设置Tab.2 Parameter Setting of Intersection Angle between Center Hole Diameter and Rotary Limit Air Inlet

采用控制变量法研究中心孔直径和旋转限幅空气入口交角同时对雾化效果的影响。不同中心孔直径与旋转限幅空气入口交角下的压力分布图，如图8所示。雾化器入口至雾化器出口方向，压力分布图呈带状分布。图8(a)中设置基本对比参数：中心孔直径为50mm，旋转限幅空气入口交角为14°，最大压力值为1042.633Pa。图8(b)中，中心孔直径增大，旋转限幅空气入口交角增大，最大压力值为698.622Pa。当中心孔直径和旋转限幅空气入口交角同时增大时，压力值减小，雾化效率减弱。图8(c)中，中心孔直径增大，旋转限幅空气入口交角减小，最大压力值为698.553Pa。当中心孔直径增大，旋转限幅空气入口交角减小时，压力值减小，雾化效率减弱。图8(d)中，中心孔直径减小，旋转限幅空气入口交角增大，最大压力值为1635.130Pa。当中心孔直径减小，旋转限幅空气入口交角增大时，压力值增大，雾化效率增强。图8(e)中，中心孔直径减小，旋转限幅空气入口交角减小，最大压力值为1655.013Pa。当中心孔直径和旋转限幅空气入口交角同时减小时，压力值增大，雾化效率增强。

图8 不同中心孔直径与旋转限幅空气入口交角下的压力分布图Fig.8 Pressure Distribution Map of Different Center Hole Diameter at Intersection Angle of Rotary Limited Air Inlet

不同中心孔直径与旋转限幅空气入口交角下雾化器出口各点的速度曲线图，如图9所示。图9(a)中基本对比参数为：中心孔直径为50mm，旋转限幅空气入口交角为14°。图9(b)中，中心孔直径增大，旋转限幅空气入口交角增大，雾化器两侧对称出口边界的涂料速度差更明显。图9(c)中，中心孔直径增大旋转限幅空气入口交角减小涂料速度峰值点和极小值点均左移。图9(d)中，中心孔直径减小，旋转限幅空气入口交角增大，雾化器出口起始位置下降点增多，涂料速度峰值点和极小值点均右移。图9(e)中，中心孔直径减小，旋转限幅空气入口交角减小，雾化器出口起始位置的下降点增多，涂料速度峰值点和极小值点均右移。通过以上对不同中心孔直径与旋转限幅空气入口交角仿真结果可知，旋转限幅空气入口交角对雾化效果影响较小，当其他仿真参数不变时，为保证雾化效果，可适当减小中心孔直径。

图9 不同中心孔直径与旋转限幅空气入口交角下雾化器出口各点的速度曲线图Fig.9 Velocity Curve of Atomizer Exit Points at the Angle of Intersection of Different Center Hole Diameter and Rotary Limited Air Inlet

5 结论

(1)以旋杯的中心孔直径和旋转限幅空气入口交角为例，研究单因素对雾化效果的影响关系。当其他仿真参数不变时，随着中心孔直径的增大，最大压力值逐渐减小，雾化效率逐渐降低。随着旋转限幅空气入口交角的增大，最大压力值先减小再增大。为保证雾化效果，中心孔直径的最佳选择范围为(40～60)mm，旋转限幅空气入口交角的最佳选择范围为大于20°。(2)以旋杯的中心孔直径和旋转限幅空气入口交角为例，研究双因素对雾化效果的影响关系。当两因素同时作用时，旋转限幅空气入口交角对雾化效果影响较小。当其他仿真参数不变时，为保证雾化效果，可适当减小中心孔直径，中心孔直径的最佳取值范围为(40～50)mm，旋转限幅空气入口交角的最佳取值范围为(20～30)°。为选择合理的雾化参数提供方向，为实际喷涂过程提供了实践指导。