产品喷涂装置Fluent仿真内部流场数值分析

李东来 张文华 张宏斌 陈淑鑫

（齐齐哈尔大学，齐齐哈尔 161006）

随着现代工业智能机械的快速发展，产品对外表面保护和视觉效果的要求越来越高，因此产品外表面需要均匀涂覆漆料。目前，国内产品造型生产的整个行业装备处于效率低、成本高阶段[1]。工业生产中，按照喷涂方式的不同，喷涂可分为手动喷涂和机械自动喷涂。其中，人工手动喷涂作业方式喷涂效率低，且雾化漆雾弥漫在空气中既污染周边环境又危害人身健康。究其原因，主要是设备结构设计不够完整，技术水平不够高。机械喷涂在保证喷涂质量的同时不仅可以大批量生产，也能保护人体健康，广泛应用于生产加工。针对此类问题，本文通过Fluent软件数值分析机械喷涂过程中常存在的喷幅分裂、喷幅上重或下重、喷幅中央过厚等问题，提出调节喷嘴口径渐扩变化、适当调节喷嘴与喷涂产品间距等措施。

1 机械喷涂设备

机械喷涂设备包括喷涂设备的喷嘴雾化和喷涂效率的优化。单俊鑫利用Fluent软件对优化的喷枪结构进行内部流场分析，发现优化后的2T+2Y型混合室明显优于1-1T混合室，得出合理的混合级数，可有效提高涂料的利用率[2]。卢林春利用Fluent软件对喷嘴内部流场进行数值模拟，得出在保证喷嘴内部空气入口压力恒定的前提下，对喷嘴混合腔内的压力、流速进行模拟分析[3]。曹建明、朱辉等人对一种新型的内混式空气雾化喷嘴进行测量和研究，发现当气压稳定在某一数值时，喷雾锥角与水流量呈正相关趋势，而当水流量稳定在某一数值且无空气助力时，喷雾锥角相对较小[4]。梁博健、高殿荣等人从对高压水射流喷嘴结构参数变化对射流性能的影响入手，深入探究喷嘴出口处张角、锥孔深度，确定最佳出口扩张角和锥孔深度，并验证在最佳参数下喷嘴的喷射角和射流流量都得到了显著提升[5]。

2 现代涂装方法

2.1 辊涂

辊涂分为手工辊涂和机械辊涂两大类。光固化涂料通常采用机械辊涂法，分为同向和逆向两大类。同向辊涂机涂漆辊的转动方向与被涂物的前进方向一致。涂料在涂漆辊挤压下涂覆在产品表面，涂量较少，涂层不够均匀完整，因而采用同向辊涂机涂装时往往两台机串联使用，使得涂层更均匀。辊涂主要应用转辊进行产品喷涂，涂料均匀分布在转辊表面，然后通过转辊转动将涂料均匀涂饰在产品表面[6]。辊涂具有操作简单、节省原料等特点，但对加工产品表面要求较为苛刻，因此不能应用于加工异形工件[7]。

2.2 淋涂

淋涂是将涂料槽中涂料通过喷枪或窄缝对产品进行淋涂。涂料呈瀑布状淋在被加工的产品上，形成均匀涂层。剩余涂料可通过泵输送回涂料槽中达到循环使用的目的。淋涂对选用涂料的干燥速度要求较高，漆膜完全覆盖到滴去余漆需要较长时间。若漆料干燥较慢，则会延长产品加工时间。它的优势在于对涂料黏度要求范围较宽，只需满足产品漆膜厚度要求，选用适当的涂料黏度即可。淋涂可应用于对膜厚精准度要求较高的产品，但不适用于颜色种类多样的产品，易造成涂料浪费，只适用于同种涂料反复淋涂。

2.3 喷涂

喷涂主要是通过离心力或压力使液体涂料达到一定速度后通过喷嘴使涂料均匀雾化，并喷涂在产品表面。喷涂包括空气喷涂、高压无气喷涂、低流量中等压力喷涂和静电喷涂。喷涂工艺广泛应用于各种形状的产品，对喷涂产品表面形态没有较高的要求，漆膜均匀且细腻。

3 喷枪的主要部件

典型喷枪的主要零件包括气帽、喷嘴、针阀、扳机、气阀、扇形调节钮和手柄。气帽把压缩空气流吸上来的油漆使其雾化并形成一定形状[8]。喷涂主要装置有3个部件，分别为中央喷口、喷管和针阀，如图1所示。

3.1 喷嘴头

在空气帽上有喷出压缩空气的中心孔，分为少孔型和多孔型两种，侧面有空气和辅助空气孔。根据用途的不同，对应孔的位置、数量和孔径等各有差异。空气帽、喷嘴和喷针是配套的，不能随意组合使用。

3.2 喷嘴

喷嘴按形状可分为直筒形喷嘴、贝式喷嘴和渐扩式喷嘴等。不同喷嘴可用于不同产品生产。贝式喷嘴因其形状特点，可将涂料水平、均匀扁平喷出，且涂层厚度较为一致，因此应用广泛[9]。喷嘴常选用合金钢制作，以免喷嘴被高速喷出的涂料磨损。此外，需根据不同的产品选用相应的口径。随着口径的变大，涂料的喷出量随之增多。倘若气体压强不够，漆料雾化程度就会较低。因此，工业上常采用高压强大口径喷嘴进行喷涂。

3.3 针阀

喷嘴前端内壁呈针状，与枪针配套成涂料针阀。扳动枪机使枪针后移，喷嘴即打开。喷嘴口径和枪针配套使用。

4 模型仿真

喷管与喷嘴部分用SolidWorks建模后导入icem中实现网格划分。喷管部分和喷嘴部分均为对称结构，形状规则，因此两个部分都可以采用六面体结构进行网格划分。

4.1 网格划分

在icem中设置最大网格尺寸为2 mm，最小网格尺寸为1 mm，生成网格总数为82 657个，如图2所示。part部分将喷管入口截面设成inlet，喷嘴出口截面设成output，其余面定义为wall。生成网格后须调节网格质量，而网格质量直接影响求解精度。利用Vertices进行局部调节使网格接近规则形状，同时对渐扩段细节部分进行网格加密，达到提高网格质量的目的，使计算结果更接近真实值[10]，较好地反映喷涂过程中流体在喷管、喷嘴内部的速度以及压强情况，以便后期的问题分析。

4.2 选择模型模拟

将生成好的网格转化为非结构化网格，在output中选择ANSYS Fluent求解器后导入Fluent软件，再次检查网格质量后进行模型选择。针对喷涂装置的喷涂问题，主要为互不相溶的气-液两相流的问题。因此，在计算中需引入k-epsilon模型模拟参数选择无线网络控制器（Radio Network Controller，RNC）。该模型为多相流模型，且在满足计算精度的同时计算速度较快。因此，本文采用该模型模拟喷枪内部流场压力、速度等因素随时间的变化。

4.3 确定边界条件

根据喷枪的实际情况定义边界条件：inlet部分选择速度入口，一般喷枪法向速度分量为10 m·s-1，其他两个方向速度分量为0 m·s-1，设置入口原料设定为水与空气；output部分定义为压强出口与大气连通，重力设置为-9.81 m·s-1；wall部分设置为无滑移条件，即速度和湍流度均为零。

4.4 调用求解器

完成网格划分、计算模型选择以及边界条件的设定后调用求解器。为了更好地提高求解精度，实验采用Pressure-Based模型进行求解。松弛因子设为0.75，经过多次模拟计算发现，松弛因子较小，发散概率较低，最终计算结果较贴近真实值。创建监控类型，结合静压、整个速度梯度以及湍流强度进行监控。为保证计算结果有更好的收敛性，实验将收敛精度设置为10-6。以上所述控制参数设置完毕后，便可开始进行迭代计算。

4.5 仿真分析结果

利用软件分析，结果如图3所示。在喷嘴出口处压强变化较大，速度变化幅度较小。在整个喷涂过程中，液体速度在喷管内部变化的梯度较小，如图4所示。变化幅度较大部分主要集中于喷嘴口，且呈伞状分布。在喷涂过程中，变化气体与涂料液体之间始终存在速度滑移，气体在直柱段加速至最大速度后由于压强的减小导致速度缓慢降低，而涂料液体一直做加速运动，并在惯性作用下随着直柱段长度的增加逐渐趋向气体的速度，涂料高速到达喷嘴处后压强瞬间减小，与气体相互碰撞后达到雾化效果。气缸压强、喷管长度、喷嘴处口径变化均会影响雾化程度。压强较小、喷管长度较短，会使涂料达不到喷出速度。出口压强变化程度不够，会达不到相应的雾化效果。喷嘴口径变化较小会阻碍漆料的扩散，影响漆料的雾化。口径变化较大的喷嘴也会产生雾化效果不够等问题。这主要是没考虑涂料液体与气体间的相互作用力，致使漆料在高速作用下不能与气体发生完全碰撞，导致粒子较粗，达不到雾化要求。

通过多次反复模拟后发现，喷嘴口径的大小、喷嘴长度均对喷幅面积有较大影响。若喷嘴直径过小，喷涂材料表面很难形成液面薄膜；喷嘴直径过大，则会引起雾滴颗粒与喷涂面发生碰撞，造成涂料飞溅现象。喷涂压强的变化和喷嘴口径渐扩的变化率，是影响喷幅中央过厚的主要原因。此外，喷幅中央过厚也可能受到与涂料黏度和顶针长短等因素的影响。

针对存在的问题，将涂料间的相对液相作用力纳入液相动量方程的右端得到优化后的喷嘴内两相流动。采用低浓度涂料，增大压强、罐压强或减小喷嘴的尺寸。针对喷幅上重或下重问题，由于喷嘴出口处压强较大，可调节喷嘴套装尺寸，也可针对不同喷涂产品更换不同喷嘴的套装。

5 结语

模拟发现，喷嘴口直径的大小是影响喷幅面积的主要因素，同时喷涂压力的变化、喷嘴渐扩段的变化等会对喷幅造成一定影响。根据模拟结果进行分析，采用不同喷嘴套装、选用适当喷嘴尺寸可改善喷幅上重或下重问题，有利于提高喷涂效率。可见，调节喷嘴口径渐扩变化、适当调节喷嘴与喷涂产品间距等可改善存在的问题。