中心雾化孔压力对成膜特性的影响

陈 雁，潘海伟，陈文卓，娄博文，李 江

(中国人民解放军陆军勤务学院 油料系， 重庆 401331)

随着机器人技术的发展，空气喷涂机器人被广泛应用在航空、汽车、石油与天然气等领域[1-2]。为获得均匀的喷涂涂层，需要对机器人喷涂工艺进行优化，其中最为关键的是喷涂参数的设定。喷涂参数主要包括中心雾化孔压力、扇面控制孔压力、涂料流量、喷涂距离、喷涂角度、喷枪移动速度等[3]。中心雾化孔压力是位于喷枪空气帽中心的雾化空气孔喷涂出的气体压力，是影响喷雾流场喷幅、涂层厚度分布及喷涂机器人工艺优化的关键参数。

学者们已就喷涂参数对成膜效果的影响进行了大量研究。Domnick 等[4]利用相位多普勒测量系统测量雾化后粒子速度和粒子直径等，研究改变涂料和空气流速对喷涂流场和成膜的影响。Conner 等[5]通过实验和数学分析提出分析沉积模型，研究距离和角度两个变量对喷涂效果的影响。陈雁等[6]利用抛物线模型研究成膜图形重叠宽度与涂层均匀性的关系。冯浩等[7]和刘亚举等[8]利用积分法研究涂膜成长速率。以上学者大都针对喷涂距离、涂料流量、喷涂角度等喷涂参数展开研究，但由于以前理论研究方法的局限性，无法通过建立中心雾化孔压力对成膜特性影响的数学模型进行深入分析。

中心雾化孔压力对涂料成膜特性影响的研究可以采用实验法和数值模拟法。实验研究能够直观再现空气喷涂过程，但不易精确控制中心雾化孔压力，不能完全排除喷涂环境中无关变量的影响，无法深入研究中心雾化孔压力对成膜特性的影响。随着CFD(计算流体动力学)的发展，数值模拟法[9-10]逐渐被采用。数值模拟法利用CFD理论建立数学模型，通过对问题求解，可以获得实验难以得到的参数，如喷雾流场参数等，可深入分析整个雾化成膜过程。

1 中心雾化孔压力影响模型

喷涂时，涂料在高速空气冲击作用下雾化成小液滴运动到工件表面并撞击粘附在工件表面形成漆膜。根据上述成膜过程，建立研究中心雾化孔压力对成膜特性影响的模型，中心雾化孔压力影响模型包括喷雾流场模型和撞击粘附模型。

1.1 喷雾流场模型

1.1.1 控制方程

质量守恒方程为

▽·(βqρqvq)=0

(1)

式中：下标q为g和l时，分别表示气相和液相；βq为相体积率；ρq为q相的密度；vq为q相的速度。

动量守恒方程为

▽·(βqρqvqvq)=

-βq▽p+▽·τq+βqρqg+Ftd,q+Fq

(2)

式中：p为相共用的压力；τq为q相的黏性应力；g为重力；Ftd,q为q相的湍流分散力；Fq为相间作用力。

能量守恒方程为

▽·(βqρqvqhq)=

(3)

式中：hq为比焓；qq为热通量；Ppq为相间热交换强度。

1.1.2 湍流模型

为分析流场中的湍流情况，在标准k-ε模型中引入：

(4)

(5)

式中：Πtn和Πεn为离散相与连续相湍流作用的附加项；常数项参数的取值与单相流相同。

1.2 撞击粘附模型

涂料液滴在气流的作用下向目标壁面运动，撞击在目标壁面上形成液膜。采用撞击粘附模型对涂料液滴撞击目标壁面后的运动和成膜过程建模。撞击粘附模型包括壁面液膜模型和液膜控制方程。

1.2.1 壁面液膜模型

壁面液膜模型可以计算液滴撞击壁面后形成液膜的过程。涂料液滴撞击壁面后的运动主要是由液滴撞击壁面时的能量决定。涂料相撞击壁面时的能量由式(6)决定。

(6)

1.2.2 液膜控制方程

涂料液滴撞击壁面形成的液膜存在一定流动性，应用液膜控制方程对液膜流动性进行数值模拟。液膜控制方程包括：

连续性方程：

(7)

动量守恒方程：

(8)

2 数值求解

2.1 计算区域及网格划分

空气喷枪空气帽模型如图1所示，涂料孔孔径为1.1 mm，中心雾化孔外径为2.0 mm，内径为1.6 mm，两侧牛角形结构上分别有2个孔径为0.8 mm的扇面控制孔。

图1 空气帽模型

流体控制域为500 mm×300 mm×190 mm六面体，涂料孔距离平面距离为180 mm，以四面体网格划分，单元数为785 637个，如图2所示。因为多面体网格和相同数量的四面体网格相比，不但计算结果更精确，而且解算速度更快，所以利用FLUENT将导入的网格转换成多面体网格。

图2 流体控制域网格划分

2.2 求解方法与计算参数

选择三维双精度求解器，基于气液两相的湍流控制方程，并通过Phase Coupled SIMPLE算法求解压力速度耦合。计算过程中压力、速度、k等的亚松弛因子大小均取默认值。入口边界条件：设置涂料入口为质量流量入口，流量为0.001 32 kg/s；扇面孔为压力入口，入口压力为0.08 MPa；中心雾化孔为压力入口，入口压力分别为0.04、0.12、0.20、0.24、0.30 MPa。出口边界条件：设置出口为压力出口，给定静压力为标准大气压。壁面边界条件：设置喷涂平面为欧拉壁面模型。喷涂时间：时间步长设为Δt=1×10-4s，喷涂时间为0.5 s。

3 模拟结果及分析

3.1 中心雾化孔压力对喷雾流场形状的影响

在扇面控制孔气流的冲击下，喷雾流场被压扁，喷锥的横截面为椭圆形。以空气帽顶部圆心处为原点建立坐标系，X轴为喷锥截面的短轴方向，Y轴为截面的长轴方向，Z轴为喷锥的轴向方向。

为研究中心雾化孔压力对喷雾流场的影响，需要保持其他参数不变，改变中心雾化孔压力对平板工件进行喷涂作业，压力分别设定为0.04、0.12、0.20、0.24、0.30 MPa，得到如图3和图4所示的长短轴气相速度分布。

如图3所示：随着中心雾化孔压力增大，当压力由0.04 MPa增大到0.12、0.20 MPa时，长轴流场喷幅宽度迅速变小，当继续增大压力到0.30 MPa时，喷幅变小速度减缓，喷幅宽度逐渐趋于稳定。如图4所示：随着中心雾化孔压力增大，流场短轴喷幅宽度逐渐增大。

图3 长轴仿真空气相流场分布

图4 短轴仿真空气相流场分布

通过长短轴仿真图可以看出:喷雾流场随着中心雾化孔压力变化而变化，当中心雾化孔压力从0.04、0.12、0.20、0.24、0.30 MPa逐渐增大时，喷雾流场长轴喷幅宽度逐渐变小，当压力增大到一定数值，长轴流场变化趋缓；短轴流场喷幅随着空气孔压力增大有小幅度变大，变化速度比长轴缓慢；随着压力的增大，长轴和短轴喷幅宽度逐渐趋于相近。

在理想状态下，可以用中心雾化孔压力趋向无穷大的方法来分析原因。因为扇面孔压力固定为0.08 MPa，随着中心雾化孔压力不断增大，扇面孔压力相对作用逐渐减小，当中心雾化孔压力趋向无穷大时，扇面孔相当于关闭，这时得到的喷雾流场为一个规则的圆锥，长轴和短轴喷幅一样大小，所以随着中心雾化孔压力的增大，长短轴喷幅宽度逐渐趋于相近。

为研究流场分布情况需要,对涂料液滴在流场中的运动情况进行分析。分别取雾化孔中心到目标壁面的垂线上涂料速度分布和距离中心雾化孔1.3 cm处涂料速度沿X方向分量进行分析，结果如图5、6所示。

图5 轴线速度分布

图6 喷嘴下方1.3 cm处涂料速度X方向分量

如图5所示：随着中心雾化孔压力的增大，轴线方向涂料初始速度明显增大。由式(2)和(3)可知：涂料相动能主要由空气相压能转化，当中心雾化孔压力逐渐增大时，涂料相获得的动能增大，垂直于工件表面的初始法向速度增大，初始速度从30 m/s增大到200 m/s，涂料液滴达到工作面的时间缩短。

如图6所示：不同压力下的5条速度曲线重合在一起，说明随着压力的增大，喷嘴下方1.3 cm处涂料速度X方向分量变化很小。因为扇面空气孔为喷幅控制孔主要提供涂料液滴X和Y方向速度，扇面孔压力一定时，X和Y方向速度变化很小。

随着中心雾化孔压力增大，涂料液滴到达工件表面时间缩短，而X方向速度不变，涂料液滴在X方向位移变小，X方向位移作用主要是从两侧向中心挤压喷雾流场，当位移变小之后，挤压的距离变短，短轴长度相应地就会增大。Y方向是喷雾流场长轴方向，是由中心向两侧拉伸喷幅，同样的液滴在Y方向运动时间缩短，速度不变，Y方向移动距离也变短，向两侧拉伸喷幅的距离变短，长轴长度也相应变短。

3.2 中心雾化孔压力对成膜的影响

为研究中心雾化孔压力对成膜的影响，仿真得到的涂层厚度分布如图7所示。从图7中可以看出：随着中心雾化孔压力不断增大，喷雾图形长轴长度变小，短轴长度逐渐增大，最后图形由椭圆形趋于圆形。

图7 平面成膜云图

喷雾图形的长轴和短轴是涂层分布最具代表性的轴线。长轴和短轴截面涂层厚度分布情况如图8和图9所示，从涂层厚度分布情况可以看出：随着雾化空气孔压力的增大，喷雾图形在长轴方向长度逐渐变小，涂层厚度逐渐增大；喷雾图形在短轴方向长度逐渐变大，涂层厚度逐渐增大。

表1为不同压力下涂层厚度分布情况。当中心雾化孔压力从0.04 MPa变化为0.12 MPa时，长轴长度从40 cm变为30 cm，短轴长度从10 cm变为14 cm，成膜面积由0.044 m2变为0.033 m2，长短轴长度和成膜面积变化明显。当压力达到0.20 MPa时，成膜面积从0.044 m2变为0.025 m2，继续增大压力到0.24、0.30 MPa，长轴长度继续从25 cm变短为20 cm，短轴长度继续变大，从14.2 cm增大到15 cm，但是成膜面积保持不变，为0.025 m2。

综合上述分析可知：随着中心雾化孔压力增大，涂层中心厚度迅速增大，在压力从0.04 MPa变为0.30 MPa过程中，涂层厚度从3 μm迅速增大到27 μm，喷涂面积减小，涂料主要集中在成膜图形的中心位置，成膜图形的边缘位置涂料稀少，造成涂层变化不平缓。

图8 长轴截面涂层厚度分布

图9 短轴截面涂层厚度分布

压力/MPa长轴长度/cm 短轴长度/cm 成膜面积/m2 0.044010.00.0440.123014.00.0330.202514.20.0250.242314.50.0250.302015.00.025

4 实验

实验采用特威空气喷枪，喷枪距离平板工件180 mm进行喷涂作业。其中涂料动力黏度为0.096 86 kg·m-1·s。调整中心雾化孔压力为0.12、0.30 MPa进行喷涂实验，喷涂时间为2 s，利用秒表计时。喷涂完成后将工件置于自然通风条件下2 d，待涂料固化后，使用涂层测厚仪测量干膜厚度。测量长轴涂膜厚度时，每隔5 mm取一个测量点，每个点位测量4次,取平均值，得到的漆膜厚度除以4得到喷涂0.5 s的涂层厚度。

压力为0.12、0.30 MPa下得到的实验和仿真结果分别如图10(a)、(b)所示，其中仿真图形外周深蓝色(如图7)为小于1 μm涂层，取涂层厚度大于1 μm的内部仿真图形，得到的图形形状、大小与实验结果一致。

图10 不同压力下的喷涂图形

为进一步分析试验和仿真结果的近似度，对长轴涂层厚度分布的实验和模拟结果进行对比，结果如图11所示。其中坐标原点在成膜图形的中心，横轴为喷雾图形的长轴坐标。压力为0.12、0.30 MPa时得到的模拟结果与实验得到的涂层厚度分布的平均方差分别为9%和8.5%。因此，模拟和实验得到的涂层厚度分布吻合，验证了仿真结果的正确性。

5 结论

2) 在扇面空气孔压力、涂料流量等条件不变的情况下，随着中心雾化孔压力增大，喷雾流场长轴方向喷幅变小，短轴方向喷幅逐渐增大；当压力增大到一定数值时，喷幅趋于稳定，长短轴喷幅宽度趋于相近。

图11 实验和仿真长轴涂层厚度对比

3) 随着中心雾化孔压力增大，涂层长轴长度减小，短轴长度增大，成膜面积逐渐减小，涂层中心厚度增大，涂层中心和边缘厚度分布差距变大；当压力增大到一定数值时，成膜面积趋于稳定。

4) 在其他条件不变的情况下，中心雾化孔需要在合适的压力下才能得到合适喷涂面积和涂层厚度。中心雾化孔压力过大会导致喷涂面积过小、涂层厚度分布不均匀；中心雾化孔压力过小会导致喷涂面积过大、涂层厚度太薄。

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