高全杰,鄧云峰,彭承燾,楊國文

(武漢科技大學(xué)機械自動化學(xué)院,湖北武漢,430081)

靜電涂油技術(shù)利用高壓靜電使油液加速并霧化,將其勻薄地噴涂在材料表面,其中液滴霧化效果的好壞直接影響到靜電涂油的噴涂質(zhì)量[1]。帶電液滴在高壓靜電場的作用下能減小霧化阻力和分子表面張力,增強靜電涂油的霧化和沉積效果[2],而若能采用空氣輔助靜電噴霧裝置,則可以有效降低霧化電壓,在很大程度上節(jié)省噴涂成本。在空氣輔助靜電噴霧裝置中,由于霧化條件的不同,噴霧沉積效果可能會大不相同。

近年來,研究人員采用計算流體力學(xué)軟件對傳統(tǒng)空氣輔助噴霧系統(tǒng)進行數(shù)字化仿真,以改進噴霧裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計,優(yōu)化系統(tǒng)控制參數(shù),例如霧化電壓、空氣壓力和噴射速度等[3-6];王樹珊[7]試驗研究了靜電粉末噴涂技術(shù)中影響沉積效果的主要因素;Shah等[8]利用FLUEN T計算兩相三維湍動氣流場、模擬靜電粉末噴涂過程;Li等[9]研究了一種超細粉末噴涂系統(tǒng),模擬了單一體積顆粒的運動軌跡,但其中忽略了空間電場的環(huán)抱效應(yīng),并且沒有對影響噴霧沉積效果的各個因素進行深入分析。目前,采用計算流體力學(xué)軟件對靜電涂油技術(shù)進行的研究還比較少見。為此,本文采用FLUEN T軟件來模擬空氣輔助靜電感應(yīng)充電噴霧裝置的噴霧過程,通過計算由荷電霧滴形成的空間電場對霧滴施加的靜電力,得出在三維兩相場耦合情況下荷電霧滴的運動軌跡,研究霧滴的粒徑、荷質(zhì)比和噴射間距對荷電霧滴的運動軌跡以及沉積效果的影響。

1 數(shù)值仿真

1.1 計算域和仿真參數(shù)的設(shè)定

以武漢科技大學(xué)研制的靜電涂油機中基于空氣輔助靜電感應(yīng)充電的新型靜電噴霧裝置(如圖1所示)為研究對象,取刀梁的某一橫截面進行分析。

圖1 新型靜電噴霧裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the new electrostatic spraying device

目標(biāo)噴涂區(qū)域為距離噴嘴600～900 mm的φ80mm球形區(qū)域(假設(shè)目標(biāo)噴涂物為三維實體),周圍環(huán)境是以上刀梁軸線為中心的1 500mm×1 000mm矩形區(qū)域,因其結(jié)構(gòu)對稱,故取其一半予以簡化分析,如圖2所示。

采用FULEN T軟件模擬空氣流動和液滴霧化過程,采用FL UENT中的用戶自定義功能(UDF)設(shè)定空氣輔助靜電感應(yīng)充電噴嘴的工作參數(shù):霧化電壓為3 kV,液體流量為70 mL/min,空氣壓力為0.25 M Pa[10]。為了比較不同霧化條件下的靜電噴霧效果,將霧滴粒徑分別設(shè)為5、15、30、35μm,將霧滴荷質(zhì)比分別設(shè)為0、1、5、10、30 m C/kg,將噴射間距分別設(shè)為600、900 mm,取其中最具代表性的若干參數(shù)組合進行仿真。

圖2 噴涂區(qū)域(對稱計算域)Fig.2 Spray area(symmetric computational domain)

1.2 數(shù)值仿真算法

1.2.1 離散化計算域

假設(shè)霧滴按照預(yù)定的大小和荷質(zhì)比從噴嘴噴出,且初始速度相同。在霧滴運動過程中,將其看成球形,并忽略霧滴之間的相互作用力。霧滴在氣相中的容積率非常低(大約為0.1%),可以建立其離散相模型(DPM)[11]。霧滴的蒸發(fā)忽略不計,因此在荷電霧化過程中,霧滴質(zhì)量、粒徑和帶電量均保持不變,滿足電流連續(xù)性和電荷守恒定律[12]。

采用FLU EN T中前置模塊Gam bit的用戶圖形截面(GU I)創(chuàng)建計算域的幾何模型和帶有三角形蜂窩小區(qū)的離散網(wǎng)格。較多的節(jié)點和單元數(shù)量可以使仿真結(jié)果更精確,但同時需要更多的計算時間和更大的CPU內(nèi)存,因條件所限,本研究中將計算域設(shè)為5萬多個獨立單元。網(wǎng)格設(shè)置在噴嘴處,其為監(jiān)控氣流變化的最佳位置。

1.2.2 氣體流動仿真

氣體的流動可以認為是不能壓縮的、穩(wěn)定的黏性湍流。重整化群(RNG)k-ε湍流模型比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型更適合描述復(fù)雜的氣體流動。根據(jù)氣體流動控制方程[13]建立氣體流動模型時,霧滴離散相與源相的結(jié)合可以更加理想地模擬實際情況。在本文研究的靜電噴霧裝置中,由空氣輔助裝置產(chǎn)生氣體的流動,其本身在噴霧過程中也是一個受控參數(shù),一般情況下,空氣輔助靜電感應(yīng)充電噴嘴能使空氣壓力達到0.15～0.35 M Pa。其余的邊界條件在FLUEN T求解器中定義。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 霧滴荷質(zhì)比對靜電噴霧沉積效果的影響

在霧滴粒徑為35μm、噴射間距為600 mm、霧滴荷質(zhì)比分別為0(不帶電)、1、5 m C/kg的條件下進行仿真,得到霧滴的運動軌跡如圖3和圖4所示。仿真計算的霧滴總數(shù)為10 000,圖中只有部分霧滴比較清晰的運動軌跡。

圖3 不同荷質(zhì)比的霧滴運動軌跡(噴射間距為600mm、霧滴粒徑為35μm)Fig.3 Trajectories of droplets with differen t charge-to-mass ratios(nozzle-to-sphere distance is 600 mm;droplet size is 35 μm)

從圖3和圖4中可以看出,當(dāng)霧滴不帶電時,有少數(shù)霧滴劃向目標(biāo)球面并沉積在上面,而大部分霧滴則劃過目標(biāo)球面;當(dāng)霧滴荷質(zhì)比為1 mC/kg時,一部分荷電霧滴由于空間電場力的排斥作用而沿目標(biāo)球面的徑向到達球面,其余則偏離目標(biāo)區(qū)域;當(dāng)霧滴荷質(zhì)比為5 m C/kg時,沿徑向到達目標(biāo)球面的霧滴數(shù)量明顯增加。經(jīng)過統(tǒng)計,當(dāng)霧滴荷質(zhì)比分別為0、1、5mC/kg時,在10 000個仿真霧滴中,沉積在目標(biāo)球面上的霧滴個數(shù)分別為2 260、2 490和4 270。因此,帶電霧滴的沉積效果隨霧滴荷質(zhì)比的增加以及受環(huán)抱效應(yīng)的影響而明顯改善。

圖4 不同荷質(zhì)比的霧滴在目標(biāo)球面附近的運動軌跡(噴射間距為600mm、霧滴粒徑為35μm)Fig.4 Trajectories of droplets near the sphere with different charge-to-mass ratios(nozzle-to-sphere distance is 600 mm,droplet size is 35μm)

從圖3和圖4中還可以看出,當(dāng)霧滴粒徑為35μm時,隨著霧滴荷質(zhì)比的增加,霧滴的沉積數(shù)量增加、環(huán)抱效應(yīng)明顯,但同時霧滴發(fā)生跑偏,即霧滴來不及到達目標(biāo)區(qū)域而分散的情況也明顯增加。因此,為了提高噴霧沉積效果并減少霧滴遠離目標(biāo)區(qū)域的跑偏現(xiàn)象,必須合理選擇霧滴的荷質(zhì)比。

2.2 霧滴粒徑對靜電噴霧沉積效果的影響

在靜電噴涂中,噴嘴噴出的霧滴粒徑是不同的。一般來說,大的霧滴有比較小的荷質(zhì)比,而小的霧滴則有比較大的荷質(zhì)比。在仿真中,假定相同的霧滴表面具有相同的電荷密度,粒徑為30、15、5μm的霧滴,其荷質(zhì)比分別為5、10、30 mC/kg。不同粒徑和荷質(zhì)比條件下仿真霧滴的運動軌跡如圖5和圖6所示。

圖5 不同粒徑和荷質(zhì)比的霧滴運動軌跡(霧滴表面電荷密度相同)Fig.5 Trajectoriesof droplets with different droplet sizesand charge-to-mass ratios(surface charge density is the same)

圖6 不同粒徑和荷質(zhì)比的霧滴在目標(biāo)球面附近的運動軌跡(霧滴表面電荷密度相同)Fig.6 Trajectories of droplets near the sphere with different droplet sizes and charge-to-mass ratios(surface charge density is the same)

在霧滴表面電荷密度相同的情況下,較小的霧滴有較大的荷質(zhì)比,因此其更容易受空間電荷產(chǎn)生的靜電力的影響,這些霧滴在運動過程中甚至可以折回,這從圖5中可以明顯看出。從圖6中可以看出,與粒徑為5μm的霧滴相比,粒徑為30μm的霧滴沉積效果更好,這是因為粒徑為5 μm的霧滴擁有較小的質(zhì)量卻帶有較大的電荷,霧化過程中電荷的丟失是很明顯的,但是質(zhì)量減小卻不明顯,因此容易產(chǎn)生跑偏運動,從而來不及噴射到目標(biāo)區(qū)域。經(jīng)過統(tǒng)計,當(dāng)霧滴粒徑分別為5μm時,在10 000個計算霧滴中沉積在目標(biāo)球面上的霧滴個數(shù)分別為4 210、2 360和1 590。

2.3 噴射間距對靜電噴霧沉積效果的影響

噴嘴到目標(biāo)物的間距是影響霧滴沉積效果的另一個重要因素。噴射間距會對靜電場產(chǎn)生很大影響,導(dǎo)致荷電霧滴受到的空間靜電力發(fā)生改變,進而影響霧滴的運動軌跡。在仿真中,以粒徑為35μm、荷質(zhì)比為5mC/kg的霧滴為研究對象,對比其在噴射間距分別為600、900 mm時的沉積效果。不同噴射間距下的霧滴運動軌跡如圖7和圖8所示。

從圖7和圖8中可以看出,當(dāng)噴射間距增加時,到達目標(biāo)球面區(qū)域的霧滴數(shù)量明顯減少,這是因為荷電霧滴受空間電場力的影響而發(fā)生了擴散。當(dāng)噴射間距從600mm增加到900mm時,在10 000個仿真霧滴中,沉積在目標(biāo)球面上的霧滴數(shù)量從4 270減少到1 380。因此,液體靜電噴霧時,應(yīng)確保噴頭到目標(biāo)物之間的距離不宜過大,以達到理想的沉積效果。

圖7 不同噴射間距下霧滴的運動軌跡Fig.7 Trajectories of droplets under different spray distances

圖8 不同噴射間距下霧滴在目標(biāo)球面附近的運動軌跡Fig.8 Trajectories of droplets near the sphere under different spray distances

3 結(jié)論

(1)霧滴粒徑相同時,隨著霧滴荷質(zhì)比的增加,霧滴沉積效果明顯改善,但同時霧滴跑偏的情況也會增加。

(2)在噴射間距和霧滴表面電荷密度一定的情況下,粒徑越大的霧滴,其沉積效果越好,粒徑小的霧滴容易產(chǎn)生跑偏運動。

(3)對于粒徑和荷質(zhì)比相同的霧滴,當(dāng)噴射間距在正常工作范圍內(nèi)由小變大時,噴霧沉積效果變差。

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