基于CFD的水性涂料搅拌器数值模拟

2022-11-16詹剑良金浩哲

上海涂料 2022年5期

詹剑良，金浩哲

（1.绍兴职业技术学院，浙江绍兴 312000；2.浙江理工大学，浙江杭州 310018）

0 引言

自20世纪90年代末以来，中国汽车市场持续增长，并且已经连续8年销量位居全球第一，2017年达到了2 940万辆的规模。中国已成为世界上最大的汽车生产国和汽车销售市场，汽车工业已成为国民经济的支柱产业[1]。2018年，中国汽车市场出现负增长，各个汽车品牌都在寻求提升品牌竞争力的方法。涂装质量是评判汽车品质的一项综合性关键指标，亦是汽车实现精品化过程中需要解决的难题之一。

汽车涂装工艺作为汽车制造的四大工艺之一，是投资最大、技术最先进的汽车生产工艺流程。涂装的主要目的是获得具有优异保护性、持久性和装饰性的漆膜[2-3]，从而延长汽车的使用寿命，确保汽车具有良好的防腐蚀能力。稳定可靠的涂料和溶剂除了提供适当的黏度、压力、流速和涂料温度外，还是获得高质量涂装的重要条件。

传统的汽车涂装采用的溶剂型3C2B工艺体系，在涂装过程中使用溶剂型涂料，会产生超过120 g/m3的挥发性有机化合物（VOC），这些VOC散逸到空气中不仅污染大气环境，而且会对人类健康也造成巨大的危害[4]。随着国家对清洁生产的日益重视，逐步引入限制VOC排放的环保政策，水性涂料逐渐应用于汽车涂装行业，也是未来的发展趋势。

水性涂料虽然在环保性能上优于传统溶剂型涂料，但在物理性能上，水性涂料产品存在施工难、不耐水、易起皮、丰满度差、硬度差等缺陷，涂装质量低于溶剂型涂料。而涂料混合系统能够提供稳定、优质的涂料，是保证漆膜质量的关键系统[4]。

无论是传统溶剂型涂料还是水性涂料，搅拌的好坏程度会直接影响喷涂质量与整车车身美感，是影响汽车品质的核心环节。通过选择合适的搅拌器和设定合理的搅拌参数，实现搅拌混合的功能，稳定涂料质量，进而提高涂装的质量。

以某公司汽车涂装搅拌系统中的搅拌工况参数为基础，选择水性涂料作为搅拌对象，对3种搅拌器的流场进行对比分析，总结各搅拌器叶片参数对搅拌质量的影响，为后续工业设计提供理论参考。

1 涂料搅拌器三维建模及数值模拟

1.1 几何模型

根据水性涂料的特性，选择二折叶、推进式、复合式3种搅拌器，采用UG（Unigraphics NX）进行三维建模，详见图1。

图1 搅拌器示意图Figure 1 Schematic diagrams of agitators

由于涂料搅拌系统较为复杂且许多装置对计算没有影响，复杂的模型会加大三维建模的难度，影响计算速度，故对涂料搅拌系统进行简化。图2为简化后调漆桶的形状及尺寸，调漆桶为搅拌容器。

图2 简化的调漆桶Figure 2 Simplified paint bucket

选用某公司提供的搅拌系统参数进行仿真，根据调漆桶尺寸选取搅拌器及其尺寸。表1为简化后的搅拌系统的尺寸参数。

表1 简化后的涂料搅拌系统参数Table 1 Simplified parameters of the paint stirring system

1.2 网格模型

采用Gambit软件完成网格划分。搅拌器外形结构较为复杂，调漆桶存在多处不规则结构，椭圆封头属于复杂结构，再加上调漆桶内为非牛顿流体，其流型错综复杂，故采用非结构性网格对搅拌反应釜模型进行网格划分。同时，3种不同搅拌器模型的网格划分应具有相似性。采用网格分块划分，对3种不同的叶片进行加密处理，对于两边界层处网格也需要加密处理。网格划分示意图如图3所示。

图3 搅拌器网格划分示意图Figure 3 Mesh division diagrams of agitators

开展3种不同搅拌器的搅拌数值模拟，输调漆桶中的介质为水性涂料。水性涂料为密度1 000 kg/m3的非牛顿流体，且其黏度随剪切速率的增加而降低，根据其流变特性曲线，模拟搅拌器可变的量为搅拌转速与通气量。

搅拌设备CFD分析的力学模型基于质量、动量、能量守恒3个基本传递方程[5-6]。

连续性方程：

动量方程：

X方向：

能量方程：

式中：v—速度矢量，m/s；p—修正压力，Pa；e—内能，J；k—热导率；ρ—密度，kg/m3。

本研究中，所使用的湍流模型是标准k-ε模型，其方程为：

使用μt可以确定标准k-ε模型中的k方程和ε方程，如下所示：

式中：Gk—平均速度梯度引起的湍动能产生项；Gb—浮力引起的湍动能k产生项；Ym—可压缩性引起的湍流能消耗项。搅拌器中的流场计算采用多重参考系（MRF）模型（图4）。

图4 多重参考系划分图Figure 4 The partition diagram of multiple reference frame

根据水性涂料流变特性曲线可知，水性涂料适用于幂律模型。非牛顿流体幂律黏度的形式为：

式中：n—幂律指数；T0—参考温度；ηmin—零剪切黏度；ηmax—无穷剪切黏度。

1.3 初始条件设置

（1）求解器的选择。选择3维稳态求解器。

（2）搅拌模型的选择。选择标准k-ε模型。

（3）设置物性。水性涂料为非牛顿流体，根据其特性选择幂律模型。

（4）操作条件设置。该模拟需考虑重力影响。故设定Z方向上的重力加速度分量值为-9.81 m/s2。

（5）设定边界条件。对搅拌器、搅拌轴、定子区和转子区分别进行设置，根据实际工况搅拌器转速设置为95 r/min。

（6）将转子区内的流体设定与搅拌桨相同转速进行旋转，而定子区内的流体则是静止的。槽内壁面定义为静止，搅拌轴及桨叶设为运动壁面，模型的自由液面处采用自由边界条件。

2 结果与讨论

考虑到水性涂料的特性，对比分析调漆桶的速度云图、速度矢量图和速度分布图来判定涂料的混合程度。

2.1 速度云图

图5为3种搅拌器纵向（X=0）和横向（Z=0）2个方向上的速度云图（单位为m/s），通过纵向（X=0）速度云图对比可以看出，二折叶搅拌器与推进式搅拌器的速度云图梯度相似、云图形状相似，复合式搅拌器的速度云图面积范围最大。通过横向（Z=0）速度云图可以看出，复合式搅拌器大速度区域更多，但搅拌器罐壁面周围仍然没有速度云图。

图5 搅拌器的速度云图Figure 5 Velocity cloud diagrams of agitators

2.2 速度矢量图

图6为3种搅拌器在纵向（X=0）、横向（Z=0）截面的速度矢量图（单位为m/s），由于离心作用，在桨叶两端射出高速流体，沿搅拌器直径方向流动碰到搅拌罐壁面出现上下分流，向上的流体由于受到重力的作用，产生向下的加速度在搅拌器桨叶上端形成回流。由于搅拌器高速旋转，在其下端形成负压区，给向下的流体提供向上的加速度，使其在搅拌器桨叶下端形成回流。从复合式搅拌器速度矢量图中能够明显地看到其呈现径向流动，图6c左图中4个“漩涡”能清晰准确地显示搅拌回流的过程。从图6中可以看出，二折叶搅拌器与推进式搅拌器“漩涡”不明显，且调漆桶上方流动不明显，复合式搅拌器“漩涡”明显且搅拌上方速度矢量明显。