孫禹，趙民，夏海渤，李國(guó)軍

(1.中車(chē)集團(tuán)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島，266111；2. 大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 引言

原子灰(不飽和聚酯膩?zhàn)?涂層是保證軌道車(chē)輛整體外皮涂裝必不可少的一道工序.目前，車(chē)體原子灰涂層均采用人工刮涂，施工工藝周期較長(zhǎng)，人工的勞動(dòng)量大，原材料浪費(fèi)多，涂層質(zhì)量不能保證.為了克服人工施工的弊端，開(kāi)展軌道車(chē)輛外皮原子灰自動(dòng)噴涂技術(shù)研究是必要的.然而原子灰自動(dòng)噴涂技術(shù)在國(guó)內(nèi)外軌道車(chē)輛領(lǐng)域尚無(wú)應(yīng)用實(shí)例，用于滿(mǎn)足軌道車(chē)輛車(chē)體的原子灰自動(dòng)噴涂技術(shù)正處于開(kāi)發(fā)和摸索階段.

為了保證軌道車(chē)體焊接打磨后平整度的要求，原子灰層厚度應(yīng)在1.5 mm 以上.由于原子灰粘度很大，若要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴涂，只能采用適用于高粘度的、大面積噴涂效率高的、一次涂膜厚的高壓無(wú)氣噴涂技術(shù)[1].其工作原理是將原子灰加壓至10～30 MPa，然后經(jīng)噴嘴減壓、高速霧化，從而達(dá)到涂覆的目的.因而噴嘴作為關(guān)鍵的執(zhí)行元件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接關(guān)系到原子灰在噴嘴內(nèi)部的流場(chǎng)，進(jìn)而影響原子灰涂層質(zhì)量的好壞[2].而原子灰在噴嘴內(nèi)外部的流場(chǎng)的數(shù)據(jù)由于受到噴嘴結(jié)構(gòu)、流場(chǎng)擾動(dòng)、測(cè)量精度的限制，很難用實(shí)驗(yàn)方法得到，所以用數(shù)值仿真模擬高壓無(wú)氣噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)是一種可行的辦法[3].

本文以固瑞克645扇形噴嘴為仿真對(duì)象，運(yùn)用ANSYS Fluent 軟件，對(duì)噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬.以噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)及出口流量為目標(biāo)，研究不同入口壓力下對(duì)噴嘴內(nèi)壓力、速度流場(chǎng)的變化和流量的影響，為實(shí)際噴涂提供必要的數(shù)據(jù)參考 .

1 物理模型的建立

1.1 扇形噴嘴內(nèi)腔結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)

固瑞克645錐形扇形噴嘴的3D模型及內(nèi)腔結(jié)構(gòu)如圖1所示.由圖1可知，噴嘴的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)可分為錐形段，圓柱形段和V形半圓出口段.入口直徑D為3.0 mm，入長(zhǎng)度K為8.0 mm，收斂角β為6.63°；圓柱段的直徑d為1.14 mm、長(zhǎng)度L為2.5mm；V形出口的切槽半角α為30°，半徑r為0.57 mm.

圖1 固瑞克645軸向扇形噴嘴的3D模型及內(nèi)腔結(jié)構(gòu)

2 數(shù)值模擬與仿真分析

2.1 數(shù)學(xué)模型

流體在管道內(nèi)流動(dòng)具有層流與湍流兩種狀態(tài).根據(jù)雷諾公式:

Re=ρυd/μ

(1)

其中,υ、ρ、d、μ分別為流體的流速、密度、直徑與動(dòng)力粘度.當(dāng)雷諾系數(shù)Re<2 300時(shí)，為層流狀態(tài)，Re=2 300～4 000為過(guò)渡狀態(tài)，Re>4 000為湍流狀態(tài)，Re>10 000為完全湍流狀態(tài)(實(shí)踐中Re>3 000即可判斷為湍流).本研究中原子灰的ρ為1 700 kg/m3，μ為0.51 kg/(m·s)，v假定10 m/s，由雷諾數(shù)計(jì)算公式可知其雷諾數(shù)低于2 300，噴嘴內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)為不可壓縮穩(wěn)態(tài)層流流動(dòng)，故選用三維Navier-Stokes方程作為控制方程，并采用Laminar層流模型建立封閉控制方程組[4].

(1)質(zhì)量守恒方程

(2)

其中，u、v、w分別表示速度矢量在x、y和z方向的分量.

(2)動(dòng)量守恒方程(Navier～Stokes方程)

(3)

其中,p為射流壓力；ρ為密度；μ為動(dòng)力黏度；S為動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng) .

2.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件的設(shè)置

首先將SolidWorks創(chuàng)建的噴嘴結(jié)構(gòu)幾何圖形導(dǎo)入ANSYS/ICEM CFD中，定義入口、出口，內(nèi)壁等邊界后，對(duì)其進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分，得到如圖2所示3D噴嘴; 然后將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬.選用3D求解器，Simplec算法對(duì)流體壓力和速度進(jìn)行耦合，壓力的插值選擇Standard.為提高求解精度和降低擴(kuò)散誤差，采用二階迎風(fēng)離散格式[5]對(duì)控制方程進(jìn)行數(shù)值求解，收斂條件設(shè)置為10-4，迭代600步計(jì)算完成.噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)的入口和出口均采用壓力邊界條件，入口壓力為10～25 MPa，出口靜壓力為0，即大氣壓.假定緊貼內(nèi)壁面的流體保持靜止，故在壁面上無(wú)滑移，所有的速度分量均設(shè)置為零.

圖2 固瑞克645噴嘴的3D圖形

3 流場(chǎng)仿真結(jié)果與分析

3.1 入口壓力對(duì)噴嘴內(nèi)部壓力場(chǎng)分布的影響

圖3為不同入口壓力下，噴嘴內(nèi)部壓力場(chǎng)分布云圖 .可以看出，壓力在軸向呈明顯的層狀分布，是典型的層流特征 .隨著距離增加，直徑減少，壓力梯度變化加快，云層由大變小，由厚變薄，尤其圓錐向圓柱過(guò)度階段；在圓柱階段，壓力梯度變化減緩，并在接近出口處壓力云圖呈月牙形；在V型出口段，壓力云層最薄，壓力變化最快 .從圖中可以看出，不同入口壓力云圖的明顯區(qū)別在于出口處月牙形壓力云圖的變化.隨著壓力增加，月牙形云圖變小、變薄，導(dǎo)致楔形出口弧形內(nèi)壁相對(duì)壓力增加，過(guò)大的壓力會(huì)造成從出口處磨耗增加，使噴嘴工作壽命縮短 .在實(shí)際過(guò)程中，若需要更大壓力噴涂高粘度流體，噴嘴應(yīng)采用更耐磨損材料，或在出口處硬化處理，增加噴嘴使用壽命.

圖3 不同入口壓力下噴嘴內(nèi)部壓力場(chǎng)分布(XOY截面)

圖4為不同入口壓力下，靜態(tài)壓力與距離的關(guān)系曲線(XOY截面).可以看出，不同入口壓力下，總的趨勢(shì)是噴嘴內(nèi)軸向靜態(tài)壓力隨著距離的增加而減小，且變化規(guī)律基本一致 .曲線圖根據(jù)噴嘴結(jié)構(gòu)可分為三個(gè)階段：第一階段，圓錐段(從 -3.5～4.5mm)，在2 mm之前，壓力隨距離下降平緩，對(duì)應(yīng)的云層最厚，而從2～4.5 mm(圓錐向圓柱轉(zhuǎn)換處)，壓力下降加快；第二階段，圓柱段(從4.5～7.0 mm)，在6.0 mm之前，曲線的斜率變化較小，說(shuō)明這段壓力隨距離是緩慢下降的，距出口端0.5mm范圍，即6.5～7.0 mm，隨著距離增加，壓力急劇下降；第三階段，0.57 mm長(zhǎng)度半圓形出口段(半圓形V型出口深度為0.57 mm)，壓力隨距離增加而增加，而后瞬時(shí)變?yōu)榱? 總體來(lái)看， 壓力變化率最大階段在出口端附近1 mm范圍內(nèi)， 壓力從106量級(jí)快速降為零，尤其是出口段，壓力在略有上升后，瞬間降為零，此時(shí)施加在流體上的加速度最大，為流體在離開(kāi)出口瞬間液膜破碎、霧化提供了動(dòng)力[6].

(a) 10 MPa

(b) 15 MPa

(c) 20 MPa

(d) 25 MPa

從圖4可以看出，在出口段隨著入口壓力的增加，壓力的變化率增大.因此，入口壓力增大，噴嘴出口處的磨損加快.這與噴嘴內(nèi)部軸向壓力分布云圖是一致的.

總之，從入口壓力對(duì)噴嘴內(nèi)部壓力場(chǎng)分布的影響來(lái)看，入口壓力在15～20 MPa是合適的.

3.2 入口壓力對(duì)噴嘴內(nèi)部速度場(chǎng)的分布的影響

圖5為不同入口壓力，速度分布云圖.由圖可以看出，速度云圖與壓力云圖(圖3)一樣，也呈梯度分布，速度隨著軸向距離的增加而增加；入口壓力越大，出口速度越大.圖中明顯可以看出原子灰流體與內(nèi)壁接觸的速度趨近于零，這是由于流體與金屬內(nèi)壁存在界面結(jié)合力所致.在錐形部分，不同速度云圖層中，靠近錐形內(nèi)壁的速度明顯滯后于軸向速度，而與前一個(gè)較低速度云圖層基本一致，形成的夾角與收斂角β一致；同樣的道理，在圓柱部分，從中心到內(nèi)壁速度成梯度分布，從軸心速度最大逐漸過(guò)渡到內(nèi)壁為零，這種過(guò)渡是由于不同速度的流體間存在摩擦力的緣故；在出口段，單位距離的流體速度變化最大，且隨著入口壓力的增大而增大.一般霧化液滴小，出口速度應(yīng)大于100m/s.當(dāng)壓力大于15 MPa時(shí)，出口速度已大于100 m/s，完全能夠滿(mǎn)足霧化的速度要求.

圖5 不同入口壓力原子灰流體速度分布(XOY截面)

圖6為不同入口壓力下，原子灰流體速度與距離的關(guān)系曲線.由圖可知，除了與內(nèi)壁接觸的部分為零外，流體速度隨著距離的增加而增大，且同一距離處軸心處的速度最大.在圓錐段，速度隨距離的增加而增大，且在2～4.5 mm范圍內(nèi)，速度變化明顯較之前加快，且軸心到壁面呈梯度分布；在圓柱段，最初的軸向速度隨距離緩慢增加，軸心到壁面速度梯度分布更加明顯，但距出口0.5 mm處，速度急劇增大.這與壓力與距離的關(guān)系(圖4)是基本一致的，因?yàn)樗俣茸兓怯蓧毫ψ兓鸬?由圖還可以看出，隨著距離的增加，越靠近內(nèi)壁，速度降低越多，這是由于速度的增加，不同梯度速度的流體顆粒間阻力越大，相對(duì)于軸心速度下降越明顯.

(a) 10 MPa

(b) 15 MPa

(c) 20 MPa

(d) 25 MPa

圖7為20 MPa下，Y和Z方向速度與距離的關(guān)系曲線.從圖7(a)可以看出，在圓錐段速度逐漸增大，速度也成錐形，這是由于隨著噴嘴流體速度的加快，圓錐段速度Y向分量也增大；在圓柱段(4.5～6.5 mm)，流體沿軸向流動(dòng)，因?yàn)閅方向與壁面垂直，所以Y向速度接近于零，但在接近出口處(6.5～7 mm范圍內(nèi))，速度同軸向一樣，速率突然增加；在出口段，速度瞬間增大.而在噴嘴內(nèi)，Z向的速度變化極小，幾乎為零，即使在出口處其速度也不超過(guò)0.5 m/s，相對(duì)于軸向和Y向速度，Z向速度可以忽略不計(jì).

圖7 20 MPa下Y和Z向速度與距離的關(guān)系曲線

從圖6和圖7分析結(jié)果來(lái)看，軸向的速度明顯大于Y向，以壓力為20 MPa為例，軸向出口速度約為125 m/s，而Y向的速度約為60 m/s，這也很好地解釋了定位噴涂，涂層厚度呈拋物線分布，如圖8.

圖8 定位噴涂的涂層厚度分布示意圖

3.3 入口壓力對(duì)出口流量的影響

表1為不同入口壓力的出口流量.由表1可知隨著入口壓力的增加而增大.根據(jù)流量公式[7]：

(4)

這里，Q，ρ，P，d和k分別代表流量，密度，壓力，孔徑和系數(shù).對(duì)于相同的原子灰和噴嘴，流量與壓力的平方根成正比.相鄰壓力的理論計(jì)算Q值和仿真Q′值的比值如表2所示.

表1 不同入口壓力的出口流量

表2 相鄰Q和Q′的比值

由表2可以看出，隨著壓力增大，由式(4)計(jì)算的和仿真的相鄰Q和Q′的比的差值越來(lái)越小，表明壓力越大，仿真計(jì)算值與理論計(jì)算值越接近.這是因?yàn)檩^低的入口壓力使靠近內(nèi)壁的邊緣層不能獲得足夠的速度從出口噴出，所以壓力較小時(shí)，仿真流量較理論流量小，進(jìn)而導(dǎo)致相鄰比值偏大.實(shí)際上，仿真流量跟實(shí)際流量更接近些，因?yàn)樗紤]了內(nèi)壁對(duì)流體流動(dòng)的影響.

對(duì)于選定的噴嘴類(lèi)型，噴涂參數(shù)主要包括噴涂壓力，噴涂距離，噴涂速度，而噴涂距離一般都在30～40 cm，由于噴涂壓力決定出口流量，噴涂速度決定涂層厚度，所以噴吐壓力和噴涂速度就成為高壓無(wú)氣噴涂的決定性因素.就入口壓力對(duì)出口流量的影響來(lái)看，入口壓力15 ～20 MPa是比較合適的，壓力再大，對(duì)出口流量影響有限(如表1) .這個(gè)壓力范圍既能滿(mǎn)足噴涂霧化的要求，也能避免過(guò)大壓力對(duì)噴嘴壽命的影響 .

4 結(jié)論

通過(guò)用 Fluent流體軟件對(duì)不飽和聚酯原子灰高壓無(wú)氣噴涂扇形噴嘴內(nèi)的壓力、速度流場(chǎng)以及入口壓力對(duì)壓力、速度流場(chǎng)和出口流量的影響進(jìn)行數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論：①出口速度和流量隨著入口壓力的增大而增大； ②壓力和速度場(chǎng)云圖呈層狀分布、梯度變化；③圓錐向圓柱過(guò)渡段和出口段壓力和速度變化劇烈，其它部分則變化平緩；④入口壓力的增大對(duì)噴嘴出口段流場(chǎng)云圖影響最大；⑤入口壓力在15～20 MPa是比較適合無(wú)氣噴涂.