高压无气喷涂扇形喷嘴内部流场数值模拟

康 津，罗 静，龚文均，詹 捷，廖沛霖

(重庆理工大学汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆 400054)

高压无气喷涂作为优秀的涂装方法之一，因其具有良好的涂层质量和较高的生产效率［1］得到了越来越广泛的应用。其工作原理是通过增压装置将涂料加压至7.5～30 MPa后由喷嘴喷出，高压涂料在喷嘴处发生压力骤变，喷嘴出口流速突然增大，使涂料内部发生剧烈膨胀而被撕裂呈雾化状态，涂覆到工件表面形成致密漆膜［2］。喷嘴是高压无气喷涂的执行元件，其好坏对喷涂涂料雾化起着至关重要的作用，因此对涂料在喷嘴内部的流场进行分析、研究喷嘴结构对涂料喷涂的影响具有重要的意义。

影响涂料流动即雾化状态的关键结构部分是喷嘴的内腔及出口截面形状［2］。本研究以常用的轴向扇形喷嘴结构为例，采用相同出口截面形状，运用Fluent软件，对喷嘴内部流场进行三维数值模拟。以喷嘴内部流场的流动状态、轴心处压力速度变化及出口流量为目标，研究不同内腔结构对涂料流动状态的影响，为喷涂用扇形喷嘴的设计选取以及结构优化提供一定的依据。

1 物理模型的建立

1.1 扇形喷嘴内腔结构及几何参数

常用轴向扇形喷嘴的内腔结构可分为入口段结构和出口段结构。常用的内腔结构形式有如图1所示的几种。其中，图1(d)为采用具有平缓收缩功能的维多辛斯基曲线构造的结构。入口段形式分为平行形、平顶型、锥形［3］，主要决定尺寸为入口段大径D，入口段长度K。出口段结构如图2所示，决定其结构的主要参数有出口圆柱段的直径d、圆柱段的长度L、V形切槽的半角α、V形切槽的相对偏移量b、出口盲端的深度a2［4］。出口盲端平面和切割平面如图3所示，其中只显示了V形切槽的半平面。

1.2 模型用扇形喷嘴结构几何造型

本模型出口段结构采用相同结构形式。出口端采用半球面，半球半径r=a2=1.25 mm，出口圆柱段长度L=10 mm，直径d=2.5 mm。取相对偏移量b=0，V形切槽半角α=30°。入口段结构取相同入口端大径D=8 mm，入口长度K=10 mm。依次采用如图1所示的4种不同入口结构形式，应用UG软件对喷嘴进行三维造型。

图1 喷嘴内腔结构

图2 喷嘴出口段结构

图3 出口盲端平面及切割平面

2 数值模拟与仿真分析

2.1 数学模型

液体在管道内的流动具有层流与湍流两种状态［5］。对于固定条件的液体，当雷诺数超过某一临界值时，层流就变为湍流。涂料为非牛顿流体，其雷诺数临界值为8 000～10 000［6］。本研究中射流介质密度为 1 320 kg/m3，动力黏度为 0.275 kg/(m·s)，由雷诺数计算公式可知其雷诺数低于8 000，喷嘴内部的流动状态为不可压缩稳态层流流动，故选用三维Navier-Stokes方程作为控制方程，并采用Laminar层流模型建立封闭控制方程组［7－9］。

1)质量守恒方程

其中:u、v、w分别表示速度矢量在x、y和z方向的分量。

2)动量守恒方程(Navier-Stokes方程)

其中:p为射流压力;ρ为密度;μ为动力黏度;S为动量守恒方程的广义源项。

2.2 有限元模型及边界条件的设置

本研究中的扇形喷嘴的内部计算区域为平面对称结构，因此在进行数值模拟时，只要计算其1/4区域结构即可。首先将UG创建的三维造型导入ANSYS/ICEM CFD对喷嘴结构进行网格划分，网格采用非结构化四面体网格;然后将划分好的网格导入有限元分析软件Fluent进行数值模拟。采用Navier-Stokes方程作为控制方程，采用Laminar层流模型建立封闭控制方程组［10］，并选用Simplec算法对流体压力和速度进行耦合，压力的插值选择Standard。为提高求解精度和降低扩散误差，采用二阶迎风离散格式［11］对控制方程进行数值求解，收敛条件设置为1E－4。

整个内部流场的入口和出口均采用压力边界条件，入口压力为10 MPa，出口相对静压为零 (即大气压)。在喷嘴内壁，紧贴壁面的流体保持静止，故在壁面上设定无滑移边界条件，所有的速度分量均设置为零。设置对称边界条件，垂直于对称面上的速度分量为零。射流介质密度为1 320 kg/m3，动力黏度为0.275 kg/(m·s)。

3 流场仿真结果及分析

3.1 入口结构对压力变化的影响

分别对4个喷嘴压力仿真结果分析，其各自的对称面压力云图见图4。其中:1、2、3号喷嘴在刚入口段压力变化不大，出口圆柱段压力变化同样不大，但在拐角处以及扇形出口处有较大的压力梯度;4号喷嘴整体压力变化较为平缓。由图5所示的喷嘴轴心线压力变化散点图可知:在入口段过渡到出口段的拐角处，1号喷嘴的压力梯度变化最大，2号喷嘴次之，3号喷嘴压力变化再次之，4号喷嘴的变化最小;其中2号和3号喷嘴拐角处的压力梯度变化较为相近，4号喷嘴的流体在整段结构内变化都较为平缓;4个喷嘴结构在扇形出口处的压力梯度变化都比较大。由此可知:内腔结构变化对压力变化具有重要的影响，结构变化越剧烈，此处流场的压力梯度越大;结构变化越小，压力梯度变化也越小。由流体力学可知:压力梯度变化越大，流体内部的运动越剧烈，能量损失越大，流体对喷嘴的冲击能量也越大，结构破坏愈严重。因此，喷嘴结构主要的破坏部位在入口出口段过渡处即拐角处以及喷嘴扇形出口处。合理选择及改善这两处的结构强度，特别是出口处强度(喷嘴扇形出口处结构更加脆弱)，对延长喷嘴使用寿命具有重要意义。

图4 对称面压力云图

图5 轴心处压力变化

3.2 入口结构对喷嘴内部射流的影响

图6为4种不同喷嘴结构的对称面速度云图。分析其入口段处，流体从较低速度开始加速，但速度增加较慢，接近入口段与出口段的拐角处速度变化率增大。入口段处:1号喷嘴直角拐角处存在较大范围的低速区域;2号喷嘴的拐角处也存在低速区域，但面积较小;3号喷嘴拐角处不存在低速区域;4号喷嘴速度整段变化较平缓。出口段处:1号喷嘴存在较厚的壁面边界层，中心射流速度存在梯度变化;2号喷嘴壁面的边界层要比1号薄;3号比2号薄;4号边界层最薄。由图7轴心处速度变化散点图可见:4种结构喷嘴的入口初始速度基本相同(约为10 m/s)，1号和2号喷嘴在入口处速度变化很小，3号和4号喷嘴从初始速度开始加速，但3号喷嘴速度增长率高于4号;1、2、3号喷嘴在接近拐角处时速度迅速增大，经过拐角到达出口圆柱段后速度变化比较平缓，无明显增加，接近出口处时速度再次增大，到达出口时速度达到最大;4号喷嘴全程加速，在出口处速度达到最大;对于最终出口中心射流速度值，4号喷嘴最大，达到125.5 m/s，2号和3号喷嘴次之，分别为121.1 m/s和 122.4 m/s，1 号喷嘴最小，为 115.2 m/s。

3.3 出口处流量

4种喷嘴入口结构不同，内腔大小不同，流体在喷嘴内流动状态不同，导致出口处流量不同。其中1号喷嘴最小，流量为0.116 4 kg/s，2号、3号喷嘴相差较小，分别为0.119 6 kg/s和0.120 1 kg/s，4 号喷嘴最大，为 0.136 5 kg/s。喷嘴流量柱状图见图8。由图8可知:4号喷嘴的出口流量远大于1、2、3号喷嘴，效率更高，更适合大面积喷涂。

图6 对称面速度云图

图7 轴心处速度变化散点图

图8 出口处喷嘴流量

4 结束语

在边界条件和初始条件相同的情况下，保持喷嘴出口段几何参数相同，分别采用不同的入口结构，运用Fluent对流场进行数值模拟。通过对结果的分析可知:入口结构变化对流体压力梯度与速度变化具有较大的影响，结构变化越剧烈，流场的压力梯度越大;结构变化越小，压力梯度也愈小。

射流速度随着结构变化而变化，速度在结构剧烈变化处变化大，结构变化平缓处变化较小。出口圆柱段对射流速度的影响不大。平行形入口结构射流速度最小，平顶形与锥形入口结构较之增大，但两者相差较小，而新设计的具有平缓收缩功能的维多辛斯基腔体出口速度最大，且维多辛斯基腔体出口流量远大于其余3种结构，更适合大面积喷涂。

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