基于數(shù)值模擬的噴槍結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

引言

近幾年我國(guó)開始對(duì)噴槍技術(shù)進(jìn)行研究,但進(jìn)程十分緩慢,對(duì)此本文基于數(shù)值模擬的方式對(duì)噴槍結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究,以提高我國(guó)噴槍的技術(shù)水平,促進(jìn)我國(guó)噴槍技術(shù)和工藝的發(fā)展。數(shù)值模擬也被稱為計(jì)算機(jī)模擬,其原理是通過(guò)電子計(jì)算機(jī)與有限元或有限容積的概念相結(jié)合,通過(guò)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法對(duì)工程問(wèn)題和物理問(wèn)題進(jìn)行研究。

1噴槍基本結(jié)構(gòu)

噴槍基本結(jié)構(gòu)為槍身、噴嘴套裝、控制部件和其他附件,包括霧化帽總成、針嘴組合、槍體、進(jìn)氣口接頭、涂料接頭、擴(kuò)散調(diào)節(jié)總成、導(dǎo)套總成、活塞密封圈、活塞、槍針彈簧、活塞彈簧、調(diào)節(jié)閥總成、安裝螺絲總成、密封座總成、防護(hù)罩、空氣接頭等,其中噴嘴套裝是整個(gè)噴槍中最重要的部分,決定著噴槍的噴涂效果。噴嘴套裝主要由主霧化孔和扇面控制孔組成,因此本文對(duì)噴槍結(jié)構(gòu)的優(yōu)化實(shí)質(zhì)是對(duì)主霧化孔和扇面控制孔進(jìn)行優(yōu)化。

2噴槍主霧化孔數(shù)值模擬

2.1運(yùn)動(dòng)公式

在使用噴槍進(jìn)行噴涂時(shí),主霧化孔以抽吸方式使噴出的涂料氣流與液柱之間形成速度差,將空氣壓縮在噴槍的槍嘴形成負(fù)壓區(qū),從而讓噴射出的涂料產(chǎn)生霧化現(xiàn)象,再通過(guò)氣流的壓力將霧化后的涂料噴射到被噴涂物的表面形成涂裝層。

基于數(shù)值模擬,通過(guò)對(duì)氣體在噴槍涂流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)公式(1）進(jìn)行計(jì)算:

式中,表示單位體積中的慣性力:pN表示單位體積中的質(zhì)量力,divH表示單位體積中應(yīng)力張量的散度。

2.2其他參數(shù)設(shè)定

在對(duì)噴槍主霧化孔進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),將噴槍扇面控制孔所產(chǎn)生的影響和碰壁情況忽略不計(jì),只計(jì)算主霧化孔的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。在網(wǎng)格劃分時(shí),將涂料噴嘴設(shè)置為入口1,主霧化孔設(shè)置為入口2,扇面控制孔設(shè)置為入口3,流體域的上部表面設(shè)置為出口,并且將出口壓力值設(shè)置為0,將湍流參數(shù)設(shè)定為湍流強(qiáng)度的20%,水力直徑為0004m,其他參數(shù)設(shè)定為默認(rèn)參數(shù)。

2.3數(shù)值模擬結(jié)果

通過(guò)對(duì)噴槍主霧化孔進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果表明,主霧化孔為圓形或矩形時(shí),其霧化得到較為良好的擴(kuò)散,而當(dāng)主霧化孔呈三角形時(shí),霧化擴(kuò)散效果較差,因此可以得出結(jié)論:噴槍主霧化孔呈圓形或矩形時(shí),噴槍的噴涂效果更好:噴槍主霧化孔呈三角形時(shí),噴槍的噴涂效果較差。

從噴涂圖樣的對(duì)稱性角度分析,當(dāng)主霧化孔為圓形或矩形時(shí),噴槍噴涂的圖樣從縱截面和橫截面上看都具有均勻良好的對(duì)稱性:而當(dāng)主霧化孔為三角形時(shí),噴槍噴涂的圖樣在縱截面上的對(duì)稱性較差,導(dǎo)致圖樣的截面出現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象。因此,選用圓形或矩形的主霧化孔結(jié)構(gòu)可以對(duì)噴槍進(jìn)行優(yōu)化。

3噴槍扇面控制孔數(shù)值模擬

扇面控制孔位于噴槍風(fēng)帽兩端的喇叭嘴上,通常情況下,噴槍的扇面控制孔對(duì)稱分布,主要作用是用來(lái)控制噴槍噴涂的圖樣形狀。通過(guò)改變噴幅調(diào)節(jié)旋鈕的位置,從而改變扇面控制孔的氣壓和流量,最終改變噴槍噴涂的形狀。噴槍扇面控制孔數(shù)值模擬中的運(yùn)動(dòng)公式與上述噴槍主霧化孔數(shù)值模擬中的運(yùn)動(dòng)公式相同。

3.1其他參數(shù)設(shè)定

在扇面控制孔的數(shù)值模擬中,不考慮主霧化孔帶來(lái)的影響和碰壁情況。網(wǎng)格設(shè)置與上述一致,其中入口1設(shè)置為速度入口,取值為0:入口2設(shè)置為壓力入口,取值為0:入口3也設(shè)置為壓力入口,取值為06:出口不變,其他條件均設(shè)置為默認(rèn)參數(shù)。

3.2數(shù)值模擬結(jié)果

扇面控制孔數(shù)值模擬的擴(kuò)散效果和對(duì)稱性結(jié)果與噴槍主霧化孔類似,扇面控制孔為圓形或矩形時(shí)擴(kuò)散效果和對(duì)稱性較好。

扇面控制孔數(shù)值模擬中還涉及噴出粒子的速度問(wèn)題,通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)噴槍距離0～50mm時(shí),粒子的運(yùn)動(dòng)速度從開始處于極其不穩(wěn)定的狀態(tài)到后面的緩慢平穩(wěn),并且在縱截面上出現(xiàn)最大速度的位置在距離噴槍噴嘴15mm處,橫截面上出現(xiàn)最大速度的位置在距離噴槍噴嘴31mm處,并且扇形控制孔形狀為圓形時(shí)的最大速度高于三角形或矩形。因此選用圓形扇面控制孔進(jìn)行噴涂最為適宜。

4實(shí)驗(yàn)論證分析

通過(guò)上述數(shù)值模擬研究,將優(yōu)化后的噴槍結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)噴槍結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),在保證其他條件不變的情況下,用兩種不同結(jié)構(gòu)的噴槍進(jìn)行噴涂,對(duì)比噴涂圖樣是否達(dá)到預(yù)期效果,并記錄統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),繪制成如圖1所示的曲線圖。

圖1中的實(shí)線為通過(guò)數(shù)值模擬優(yōu)化后的噴槍噴涂時(shí)圖樣效果的達(dá)標(biāo)率,虛線為傳統(tǒng)噴槍噴涂時(shí)圖樣效果的達(dá)標(biāo)率。從圖1可以看出,本文優(yōu)化后的噴槍達(dá)標(biāo)率基本維持在80%～95%,而傳統(tǒng)的噴槍圖樣效果達(dá)標(biāo)率均低于70%,且隨著噴涂數(shù)量的增多,達(dá)標(biāo)率呈明顯下降趨勢(shì)。結(jié)果表明,優(yōu)化后的噴槍結(jié)構(gòu)更適用于工業(yè)中對(duì)產(chǎn)品的噴涂,且能夠大幅度提升圖樣達(dá)標(biāo)率,減少工業(yè)成本的支出。

5結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)噴槍結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行數(shù)值模擬探究取得了一定的成果,為不同結(jié)構(gòu)的噴槍結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一定的參考,但仍存在很多問(wèn)題需要在后續(xù)研究中加以解決:首先可以通過(guò)改變其他參數(shù),如噴槍涂料噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)噴槍噴涂的圖樣進(jìn)行探究:其次,本文在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)沒有將多個(gè)參數(shù)進(jìn)行交叉討論,在今后的研究中可以通過(guò)改變多個(gè)參數(shù)對(duì)噴槍結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究。