V形面喷涂成膜数值模拟_陈诗明.pdf
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1、第 52 卷 第 6 期 表面技术 2023 年 6 月 SURFACE TECHNOLOGY 285 收稿日期:20220419;修订日期:20220909 Received:2022-04-19;Revised:2022-09-09 基金项目:国家科学自然基金(51475469);重庆市教委科学技术研究项目(KJZD-M201912901);国民核生化灾害防护国家重点实验室科研基金(SKLNBC2020-09)Fund:The National Natural Science Foundation of China(51475469);The Science and Technology
2、Research Program of Chongqing Municipal Education Commission(KJZD-M201912901);The Fund for State Key Laboratory of NBC Protection for Civilian(SKLNBC2020-09)作者简介:陈诗明(1991),男,博士研究生。Biography:CHEN Shi-ming(1991-),Male,Doctoral candidate.通讯作者:陈雁(1972),男,博士。Corresponding author:CHEN Yan(1972-),Male,Doct
3、or.引文格式:陈诗明,陈雁,陈文卓,等.V 形面喷涂成膜数值模拟J.表面技术,2023,52(6):285-295.CHEN Shi-ming,CHEN Yan,CHEN Wen-zhuo,et al.Numerical Simulation of Film Formation on V-shaped Surface by SprayingJ.Surface Technology,2023,52(6):285-295.V 形面喷涂成膜数值模拟 陈诗明1,陈雁1,陈文卓2,姜俊泽1,周爽1(1.中国人民解放军陆军勤务学院 油料系,重庆 401331;2.国民核生化灾害防护国家重点实验室,北京
4、102205)摘要:目的目的 建立 V 形面喷涂成膜仿真模型,深入研究 V 形面喷涂成膜特性,为优化喷涂喷枪轨迹及获取理想涂膜提供理论支撑。方法方法 采用欧拉欧拉方法建立包含喷雾流场模型和喷雾沉积模型的 V 形面喷涂成膜模型,结合动态自适应加密技术和 SIMPLE 算法,求解分析喷雾流场规律和涂膜厚度分布特性及形成机理,开展喷涂实验验证所建模型及成膜特性的正确性。结果结果 随着 Z 轴距离的增大,喷雾流场横向雾形由椭圆形变为长条状,纵向雾形在长轴方向上近壁面时与平面喷涂差别较大。相较平面喷涂,外壁喷涂喷雾覆盖范围广,内壁喷涂结果相反,且喷雾横向扩展程度与 Z 轴坐标值均呈线性关系。V 形面内外
5、壁喷涂涂膜均呈椭圆形,且膜厚均沿径向递减。外壁喷涂涂膜光环宽度最大,涂膜厚度值普遍低于平面喷涂;内壁喷涂涂膜光环宽度最窄,短轴方向涂膜厚度值普遍高于平面喷涂。随着V 形面角度变大,涂膜中心厚度不断增加。涂膜厚度值在短轴方向均呈单峰分布,而在长轴方向上,外壁喷涂涂膜厚度均呈双峰分布,内壁喷涂涂膜厚度分布随角度变化有差异。结论结论 建立的喷涂成膜模型用于 V 形面喷涂成膜过程仿真是有效的,V 形面较大地改变了喷涂过程中的喷雾流场特性和涂膜厚度分布特性。关键词:V 形面;成膜特性;喷雾流场;计算流体力学仿真;欧拉欧拉法 中图分类号:TG174.4 文献标识码:A 文章编号:1001-3660(202
6、3)06-0285-11 DOI:10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.06.025 Numerical Simulation of Film Formation on V-shaped Surface by Spraying CHEN Shi-ming1,CHEN Yan1,CHEN Wen-zhuo2,JIANG Jun-ze1,ZHOU Shuang1(1.Department of Petroleum,Army Logistics University,Peoples Liberation Army of China,Chongqing 401331,Chin
7、a;2.State Key Laboratory of NBC Protection for Civilian,Beijing 102205,China)ABSTRACT:The work aims to establish a computational fluid dynamic(CFD)simulation model for in-depth research of 286 表 面 技 术 2023 年 6 月 film-forming characteristics on V-shaped surface by spraying,in order to provide theoret
8、ical support for optimizing the trajectory of the spray gun and obtaining an ideal film.The mathematical model of film formation was established by the Euler-Euler method to solve the over-simplification problem of the empirical model and the limitations of the Euler-Lagrange method,and the unstruct
9、ured grids and adaptive-mesh refinement were adopted to discretize the computational domain.The model established was solved with the SIMPLE algorithm of the phase solver based on pressure and spray experiments were conducted to verify the correctness of the model.By analyzing the results of the num
10、erical simulations,the spray flow field characteristics and film thickness distribution law of spraying the V-shaped surface were obtained.The effect of the V shape on the spray flow field in the long axis direction was greater than that on the spray flow field in the short axis direction.Compared w
11、ith the spray flow field of the plane spraying,the horizontal shape of the spraying flow field of the V-shaped surface was almost the same except that of the inner wall surface spraying was significantly different when the Z-axis distance was 140 mm.With the increase of the Z-coordinate value,the ho
12、rizontal spraying shape changed from the ellipse to the long strip.The longitudinal shape of the spray flow field was quite different when it was close to the wall in the long-axis direction.Their tail shapes in the order of plane spraying,outer wall spraying and inner wall spraying were in a straig
13、ht line,an inverted V shape,and a V shape,respectively.The spraying coverage of the outer wall was wider,and that of the inner wall was narrower.Besides,the horizontal expansion degree of the spraying had a linear relationship with the value of coordinate Z.The film shapes on the inner and outer wal
14、ls of the V-shaped surface were all elliptical,and their thickness decreased along the radial direction.The film on the outer wall had the larger halo width than that on the plane,yet with a generally lower thickness.The film on the inner wall was just the opposite.As the angle of the V-shaped surfa
15、ce became larger,the thickness of the film center increased continuously.The thickness distribution of the film in the short axis direction was single-peak,while the thickness distribution of the film on the outer wall in the long axis direction was double-peak,and that of film on the inner wall var
16、ied with the angle.It is concluded that the film-forming model on sprayed V-shaped surface and film-forming characteristics obtained are correct,and the V-shaped surface greatly changes the characteristics of the spray flow field and the film during the air spraying process.Film-forming numerical si
17、mulation on sprayed V-shaped surface is of great theoretical and practical significance for revealing the film-forming characteristics of spraying complex free-form surfaces with large curvature,optimizing the spray gun trajectory and improving the film quality,etc.KEY WORDS:V-shaped surface;film-fo
18、rming characteristics;spray flow field;CFD;Euler-Euler method 提高机器人喷涂复杂曲面的质量一直是研究的热点和难点1-5。V 形面作为典型的大曲率复杂曲面,广泛存在于各种设施设备中,具有结构连接的突变性和作业空间的限制性等特点,严重影响机器人喷涂喷枪轨迹规划和涂膜质量6-7。V 形面喷涂成膜建模及特性研究对揭示大曲率复杂自由曲面喷涂成膜机理和规律、优化喷枪轨迹和提高涂层质量等方面具有重要的理论意义和实用价值。目前,针对 V 形面喷涂成膜特性研究都基于经验模型8-12。首先,根据平面喷涂实验,拟合得到涂层生长率经验公式;然后,采用微分几
19、何的面积放大定理,得到 V 形面上涂层生长率经验公式。曾勇等13-14基于此方法分析研究了喷射角度和 V 形面夹角对涂膜厚度分布的影响规律,并根据研究的结论优化了机器人喷涂 V 形面的喷枪轨迹。然而,这种方法假定喷雾的流线为直线,没有考虑 V 形面对流场特性的改变,未考虑被喷涂形面对喷涂成膜过程的影响,没有从喷涂的本质机理上分析喷涂过程和成膜特性,用于 V 形面喷涂成膜特性研究将存在较大误差。近年来,随着 CFD 理论的日趋成熟和配套平台的不断完善15,研究者们探讨采用计算流体动力学(CFD)建模来研究喷涂成膜特性16-23。针对空气喷涂涂料成膜中的气液两相流过程仿真,目前利用的CFD 建模方
20、法主要有:欧拉拉格朗日法17-23,欧拉欧拉法24-28。在建模过程中,欧拉拉格朗日法通过单独求解喷雾流场中的气液两相流运动,可以获取单个液滴的运动轨迹、液相和气相的速度及压力等信息24-26。Foglitai 等17、Ye 等18和 Wang 等19采用欧拉拉格朗日法对空气喷涂气液两相流场中的喷雾速度、压力和粒径等分布特征以及喷雾成膜厚度分布特征进行了探究。基于该方法所建立的模型需要经实验测量或仿真获取涂料雾化流场参数来作为初始条件,导致模拟结果精度不高,同时利用欧拉拉格朗日法开展喷涂成膜研究存在难以考虑气液两相间耦合作用和描述喷雾流场整体态势等问题;而欧拉欧拉法将涂料液滴视作拟流体,认为液
21、滴与气体流体是空间共存,且互相渗透的连续介质,这样充分考虑了涂料相的各种湍流输运过程,以及液滴对气体两相间互相作用的影响,保证了喷涂成膜仿真的精确性25,28。另外,欧拉欧拉法的计算量和计算时间等要第 52 卷 第 6 期 陈诗明,等:V 形面喷涂成膜数值模拟 287 求都较欧拉拉格朗日法低。因此,欧拉欧拉法更适用于 V 形面喷涂成膜建模及特性研究。本文采用欧拉欧拉法建立了 V 形面喷涂成膜过程模型,基于有限体积法和 SIMPLE 算法求解模型。对比平面喷涂成膜特性,分析了 V 形面喷涂喷雾流场特性,以及涂膜厚度分布特性,提出喷涂轨迹优化建议,并通过喷涂实验验证了喷涂成膜模型和成膜特性的正确性
22、。1 喷涂成膜模型 1.1 喷雾流场模型 1.1.1 两相控制方程 喷涂过程中环境温度保持不变,可忽略两相流动中的传热现象,仅需保证各项质量守恒和动量守恒,表达式分别为14:qqqq()0t +=u (1)qqqqqTqq()()()ptg +=-+uuuuuf (2)式中:q、q和 u 分别表示 a 相的体积分数、密度(kg/m3)和速度(m/s),q 为 l 或 g 时,分别代表涂料相和空气相;p 表示两相共同作用的压力,N/m2;为动力黏度,Ns/m2;g 表示当地的重力加速度,m/s2;f 表示由表面张力 所产生的源项。根据Brackbill 的 CSF(Continuum Surfa
23、ce Force)模型29可得 f 的具体表达式为:q=f (3)式中:为表面张力,N/m2;为界面曲率,n=(其中 n 为界面单位法向量),m1。1.1.2 湍流模型 Fogliati 等17对多种湍流模型进行对比计算,发现采用 Realizable-模型的仿真结果的喷雾形状与实际观测结果最为吻合。Realizable-模型中湍流动能(m2/s2)和湍流动能耗散率(m2/s3)的输送方程表达式分别为16:()()+jtkjjkjkkkGtxxx+=+-|u (4)t212()()jjjjtxxxCECk+=+|-+u (5)式中:为运动黏度,=/,m2/s;k、C2、C1、为各附加经验系数,
24、=1.0k,=1.2,2=1.9C,1=max 0.43,5C|+,2ijijkEE=;E为经验常数,取值为 9.793;Gk为平均速度梯度产生的湍流动能的产生项。Gk的计算表达式为:tjiikjijGxxx=+|uuu (6)1.2 喷雾沉积模型 取液滴控制体建立由液膜质量和动量守恒方程以及质量源和动量源方程组成的喷雾沉积模型28。液膜控制方程为:LLLL()hht+=?um(7)LLLLLLLLLsLLLL()()332hhth phqh+=-+-+?uu ugu (8)液膜质量源项和动量源项为:LLLLnA=?mu (9)LLL=?qm u (10)式中:L为液膜密度,kg/m3;h为液
25、膜厚度,m;Lu为液膜平均速度,m/s;Lp为流场压力,Pa,Ls 为空气与液膜分界面处粘性剪切力,N/m2;Lnu为涂料液滴相的壁面法向速度,m/s。2 V 形面喷涂成膜数值模拟 2.1 计算域设置及网格划分 喷枪空气帽几何模型是以实验用喷枪空气帽为原型建立的简化模型,如图 1 所示,其对应的孔径参数见表 1。根据实验中被喷涂工件的尺寸与仿真计算的需要,被喷涂的平面尺寸为 220 mm230 mm,V 形面的 2 块构成面与平面尺寸相同。建立的三维空气帽模型坐标系如图 2 所示,坐标原点取空气帽底面圆心,该点位于涂料出口孔中心正上方 10 mm 处。V 形面喷涂存在喷雾图形长轴垂直和平行于
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