陳雁 胡俊 張鋼 陳文卓 潘海偉 婁博文

摘? ?要：針對(duì)球形面噴涂成膜氣液兩相流動(dòng)耦合過(guò)程，利用歐拉-拉格朗日法建立球形面噴涂成膜模型，模型包括連續(xù)相模型、離散相模型和撞擊黏附模型，并采用多面體網(wǎng)格和SIMPLE算法對(duì)其進(jìn)行求解. 數(shù)值模擬結(jié)果表明：球形面噴涂噴霧流場(chǎng)形態(tài)與平面噴涂噴霧流場(chǎng)形態(tài)在擴(kuò)散區(qū)基本相同，但在成膜區(qū)球形面噴霧流場(chǎng)氣相速度更大、覆蓋范圍更廣;噴霧流場(chǎng)中的大粒徑液滴和中等粒徑液滴是形成涂料液膜的主要來(lái)源;球形面噴涂涂膜軸向投影為橢圓的球面，平面噴涂涂膜為橢圓面，兩者涂層厚度均沿橢圓徑向方向遞減;球形面噴涂涂層厚度比平面薄，涂膜分布范圍比平面小，涂料涂著率比平面低，但涂層均勻性比平面好;隨著球形面直徑增大，球形面噴涂涂膜覆蓋范圍逐漸擴(kuò)大，涂層厚度增大，涂著率增大，涂層厚度均勻性增加. 噴涂實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了球形面噴涂成膜特性.

關(guān)鍵詞：噴涂成膜;噴霧流場(chǎng);兩相流;計(jì)算流體力學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：TG174.442;O35? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on Characteristics of Paint Deposition on Spherical Surface

CHEN Yan，HU Jun，ZHANG Gang，CHEN Wenzhuo，PAN Haiwei，LOU Bowen

（Department of Petroleum，Army Logistics University，Chongqing 401331，China）

Abstract：? In order to describe the two-phase coupling flow process of paint deposition on spherical surface， the Euler-Lagrange method was used to establish the model of paint deposition on spherical surface， including continuous phase model， discrete phase model as well as impinging and sticking model. Polyhedral mesh and SIMPLE algorithm were used to solve this model. According to the results of numerical simulation， the spray flow field of paint deposition on spherical surface and flat almost has the same form in the diffusion zone， but in the paint-deposition zone， the gas phase velocity and the coverage of the spray flow field on spherical surface are larger than those on flat. The main source for forming the paint film is large-diameter particles and medium-diameter particles in the spray flow field. The shape of paint films on the spherical surface is a spherical surface， of which the projection on axial direction is an oval， while it is an oval on flat， and the film thickness decreases along the elliptical radial direction. By comparison， the film thickness on spherical surface is thinner than that on flat， and the coverage of film distribution and the painting rate on spherical surface are smaller than those on flat. However， the uniformity of paint film on spherical surface is better than that on flat. As the diameter of spherical surface increases， the coverage of film distribution and the uniformity of film thickness increase，and the film thickness and the painting rate also increase. The characteristics of paint deposition on spherical surface were verified by experiments.

Key words： paint deposition;spray flow field;two phase flow;computational fluid dynamics

空氣噴涂是一種借助噴涂工具，利用高壓空氣將涂料分散成均勻細(xì)小液滴，并將其附著到被噴工件表面的涂裝技術(shù)[1]. 在空氣噴涂作業(yè)過(guò)程中會(huì)遇

到各種各樣的加工形面，球形面就是常見(jiàn)形面之一. 相較于平面，同等條件下球形面對(duì)噴涂過(guò)程中噴霧流場(chǎng)分布、涂層厚度均勻性和涂料涂著率等特性都有較大影響. 球形面空氣噴涂成膜特性研究對(duì)揭示復(fù)雜形面噴涂成膜規(guī)律、優(yōu)化噴槍噴涂作業(yè)軌跡[2]和研發(fā)空氣噴涂設(shè)備等方面都具有重大意義.空氣噴涂成膜屬于復(fù)雜的氣液兩相流問(wèn)題，早期的噴涂成膜模型主要由一系列經(jīng)驗(yàn)公式組成[3-4]，無(wú)法從本質(zhì)上揭示噴涂成膜機(jī)理. 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和流體動(dòng)力學(xué)軟件的迅猛發(fā)展，CFD數(shù)值模擬被廣泛應(yīng)用于解決氣液兩相流問(wèn)題[5-7]，越來(lái)越多的研究者開(kāi)始采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法來(lái)研究空氣噴涂成膜過(guò)程[8-9]. 數(shù)值模擬方法主要分為兩種：歐

拉-歐拉法[10]和歐拉-拉格朗日法[11]. 歐拉-歐拉法將氣相和液相都當(dāng)作連續(xù)相，無(wú)法獲知離散涂料液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡;而歐拉-拉格朗日法將氣相當(dāng)作連續(xù)相，將霧化后的涂料液滴視為離散相，能夠利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法追蹤每個(gè)涂料液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而得出噴霧流場(chǎng)中涂料液滴的分布情況. 因此，大多數(shù)研究者如Hicks等[12]、Ye等[13]、劉國(guó)雄[14]和Hilton等[15]都采用歐拉-拉格朗日法對(duì)噴涂成膜過(guò)程進(jìn)行研究.

本文利用歐拉-拉格朗日法對(duì)球形面空氣噴涂成膜過(guò)程進(jìn)行建模，通過(guò)求解球形面噴涂成膜模型來(lái)分析球形面噴涂噴霧流場(chǎng)變化過(guò)程，并揭示球形面噴涂成膜規(guī)律. 最后，通過(guò)噴涂實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證球形面噴涂成膜特性.

1? ?噴涂成膜模型建立

在采用歐拉-拉格朗日法對(duì)噴涂成膜過(guò)程進(jìn)行建模時(shí)，空氣被視為連續(xù)相，涂料液滴被視為離散相，所形成的噴霧流場(chǎng)正是兩者的耦合.

1.1? ?連續(xù)相模型

1.1.1? ?控制方程

空氣作為噴霧流場(chǎng)中的連續(xù)相，其流動(dòng)狀態(tài)滿足流體運(yùn)動(dòng)控制方程. 噴涂過(guò)程中，環(huán)境溫度基本保持恒定，氣相流動(dòng)主要考慮質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程.

質(zhì)量守恒方程：

式中：ui、uj分別為空氣相在i、j方向的瞬時(shí)速度（m/s）;p為空氣相壓力（Pa）;μ為空氣相黏度（Pa·s）;ui′、uj′分別為空氣相在i、j方向的脈動(dòng)速度（m/s）.

1.1.2? ?湍流模型

空氣流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，求解氣相流場(chǎng)除了建立流體運(yùn)動(dòng)控制方程外，還需要建立相應(yīng)的湍流模型來(lái)封閉動(dòng)量方程. 這里引入被國(guó)內(nèi)外廣泛采用的Realizable k-ε兩方程湍流模型，該模型能夠避免因時(shí)均應(yīng)變率特別大而導(dǎo)致正應(yīng)力為負(fù)的情況出現(xiàn)，使氣相流動(dòng)更符合湍流的物理規(guī)律. 在Realizable? k-ε湍流模型中，k表示湍動(dòng)能（m2/s2），ε表示湍動(dòng)耗散率（m2/s3），關(guān)于k和ε的輸運(yùn)方程如下：

式中：ut為湍動(dòng)黏度（Pa·s）;σk、σε分別表示與湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù);Gk、Gb分別表示由于平均速度梯度和浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng);YM表示可壓湍流中的脈動(dòng)擴(kuò)張;Sk、Sε為自定義源項(xiàng);C1、C2、C1ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);E為主流時(shí)均應(yīng)變率;ν表示空氣運(yùn)動(dòng)黏度（m2/s）.

1.2? ?離散相模型

涂料液滴在噴霧流場(chǎng)中主要受其自身重力和空氣沖擊力的作用. 在直角坐標(biāo)系中，涂料液滴在x方向的受力平衡方程為：

式中：up為涂料液滴速度（m/s）;ρp為涂料密度（kg/m3）;FD（u-up）為液滴的單位質(zhì)量曳力，且

式中：dp為涂料液滴直徑（m）;Re為相對(duì)雷諾數(shù);CD為曳力系數(shù).

對(duì)涂料液滴受力平衡方程進(jìn)行積分，就可確定各涂料液滴在噴霧流場(chǎng)中的速度和位置.在噴霧流場(chǎng)中，涂料液滴運(yùn)動(dòng)軌跡一般是根據(jù)空氣的瞬時(shí)速度來(lái)計(jì)算的，若對(duì)其軌跡進(jìn)一步積分，就可計(jì)算出涂料液滴在噴霧流場(chǎng)中的湍流運(yùn)動(dòng)狀態(tài).通過(guò)計(jì)算足夠多的粒子軌跡，便可得到離散的涂料液滴在空氣中的湍流運(yùn)動(dòng)狀態(tài).

1.3? ?撞擊黏附模型

在氣相流場(chǎng)的作用下，涂料液滴被推送至被噴工件表面（壁面），與其撞擊黏附形成涂膜. 在此過(guò)程中，即將發(fā)生撞擊涂料液滴與剛形成的涂料液膜不斷發(fā)生質(zhì)量和動(dòng)量的交換，可通過(guò)質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程計(jì)算出最終液膜厚度.

式中：方程左邊兩項(xiàng)分別表示瞬時(shí)項(xiàng)和對(duì)流項(xiàng);方程右邊第1項(xiàng)表示氣相流動(dòng)壓力、重力沿壁面表面的法向分量和液膜表面張力的共同作用，其中PL = Pgas + Ph + Pσ;右邊第2項(xiàng)表示重力沿壁面表面的切向分量;第3項(xiàng)表示氣相與液相交界面處的黏性剪切應(yīng)力;第4項(xiàng)表示液膜的黏性應(yīng)力.

2? ?球形面噴涂數(shù)值模擬

2.1? ?計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

空氣噴涂噴槍空氣帽三維模型如圖1所示，空氣帽中心為涂料入口孔，孔徑為1.1 mm;涂料入口孔外側(cè)是環(huán)形的中心霧化孔，外徑為2 mm，內(nèi)徑為1.6 mm;中心霧化孔兩側(cè)各設(shè)有1個(gè)輔助霧化孔，孔徑為0.5 mm;空氣帽兩側(cè)喇叭口上分別設(shè)有兩個(gè)扇面控制孔，距離涂料入口孔較近的扇面控制孔的直徑為0.6 mm，較遠(yuǎn)的為0.8 mm.

采用多面體網(wǎng)格對(duì)噴槍空氣帽進(jìn)行網(wǎng)格劃分.考慮到噴槍尺寸大小，為便于計(jì)算，分別選用直徑為380 mm、440 mm和550 mm的球體作為球形面噴涂研究對(duì)象，其數(shù)值模擬的流體計(jì)算域?yàn)?00 mm×700 mm×850 mm的六面體，涂料入口孔與球心在同一直線上，最短噴涂距離為180 mm，如圖2（a）所示;作為對(duì)比項(xiàng)的平面噴涂，其被噴平面大小為400 mm×400 mm，數(shù)值模擬計(jì)算域?yàn)?00 mm×400 mm×180 mm的六面體，最短噴涂距離不變，如圖2（b）所示. 其中，噴涂距離是指空氣帽涂料入口孔到被噴形面上某點(diǎn)的距離，而圖2中最短噴涂距離是指涂料入口孔到被噴形面中心點(diǎn)的距離.

2.2? ?參數(shù)設(shè)置和求解方法

數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置主要分為氣相流場(chǎng)參數(shù)設(shè)置和液相流場(chǎng)參數(shù)設(shè)置.在氣相流場(chǎng)中，中心霧化孔、輔助霧化孔以及扇面控制孔設(shè)為壓力入口，入口壓力分別為152 kPa、152 kPa、81 kPa，湍流強(qiáng)度均為10%，水力直徑分別為0.4 mm、0.4 mm、0.6 mm. 在液相流場(chǎng)中，液相由71個(gè)離散的粒子包組成，它們均勻分布在涂料入口孔的圓形區(qū)域內(nèi).粒子的粒徑按照Rosin-Rammler分布，黏度為0.097 9 kg/（m·s），密度為1.2×103 kg/m3，擴(kuò)散因子為3.5.

此外，根據(jù)離散相模型（DPM），將被噴工件表面設(shè)為壁面液膜模型（wall-film），重力加速度為9.8 m/s2，操作壓力為101.325 kPa，噴涂時(shí)間步長(zhǎng)Δt = 1×10-4 s，噴涂時(shí)間為0.5 s.

模型求解采用SIMPLE算法，即求解壓力耦合方程組的半隱式方法，該方法是在交錯(cuò)網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，利用“猜測(cè)-修正”的思想，通過(guò)構(gòu)造壓力修正方程和速度修正方程來(lái)求解N-S方程. 該方法能夠通過(guò)對(duì)動(dòng)量方程的離散求解，實(shí)現(xiàn)對(duì)不精確或假設(shè)壓力場(chǎng)的修正，從而求得收斂穩(wěn)定的速度場(chǎng)，其計(jì)算流程如圖3所示.

3? ?數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1? ?球形面形狀對(duì)噴霧流場(chǎng)的影響

3.1.1? ?噴霧流場(chǎng)形態(tài)

高壓空氣從中心霧化孔和輔助霧化孔噴出，與涂料混合形成中心霧化流，在扇面控制孔噴出的高壓空氣沖擊下，其形狀迅速改變，形成橢圓錐狀的噴霧流場(chǎng)，如圖4所示. 圖中坐標(biāo)原點(diǎn)O位于中心霧化孔圓心處，X、Y軸分別為橢圓錐形噴霧流場(chǎng)截面的短軸和長(zhǎng)軸，Z軸沿橢圓錐形噴霧流場(chǎng)的中心軸線.

噴霧流場(chǎng)的形成過(guò)程與氣液兩相的動(dòng)量交換緊密相關(guān)，由于空氣密度遠(yuǎn)小于涂料密度，氣相速度變化比液相速度變化更為劇烈，更能反映噴霧流場(chǎng)的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，是描述噴霧流場(chǎng)形態(tài)的重要特征物理量. 基于對(duì)連續(xù)相模型中氣相速度的求解，為便于分析，用Y（U50%）表示YZ平面噴霧流場(chǎng)在Y方向的擴(kuò)展程度，Y（U50%）為軸向速度等于距涂料入口孔Z處的氣相最大軸向速度Umax一半時(shí)的Y坐標(biāo)，于是得到圖5（a）. 同理，用X（U50%）定義XZ平面噴霧流場(chǎng)在X方向的擴(kuò)展程度，如圖5（b）所示.

由圖5（a）（b）可知，Y（U50%）和X（U50%）隨Z坐標(biāo)呈線性關(guān)系，說(shuō)明噴錐輪廓線為直線，噴霧流場(chǎng)沿軸線方向在XOY平面內(nèi)均勻擴(kuò)散.當(dāng)接近球形面時(shí)，由于球形面的阻礙，使得Y（U50%）和X（U50%）逐漸偏離輪廓線，氣相軸向速度逐漸減小.

為揭示球形面和平面噴涂噴霧流場(chǎng)內(nèi)部形態(tài)的不同，截取了其長(zhǎng)軸方向（YZ平面）的氣相速度分布云圖，如圖6 （a）（b）所示. 其中，噴霧流場(chǎng)最大氣相速度都為473 m/s，為了更直觀地展現(xiàn)噴霧流場(chǎng)形態(tài)，在截取圖像時(shí)，將氣相速度最大值設(shè)為20 m/s.根據(jù)噴霧流場(chǎng)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，可將其分為擴(kuò)散區(qū)和成膜區(qū)，其中，擴(kuò)散區(qū)是指涂料在高壓空氣沖擊下不斷霧化形成噴霧流場(chǎng)的區(qū)域，而成膜區(qū)是指貼近被噴形面表面，直接影響噴涂成膜質(zhì)量的噴霧流場(chǎng)區(qū)域.

由圖6分析可知，在擴(kuò)散區(qū)，無(wú)論是球形面噴涂還是平面噴涂，噴霧流場(chǎng)形態(tài)基本相同，噴霧流場(chǎng)氣相速度隨著流場(chǎng)擴(kuò)散逐漸減小;在成膜區(qū)，噴霧流場(chǎng)沿被噴形面表面向周?chē)鷶U(kuò)散，氣相速度繼續(xù)減小，但球形面噴霧流場(chǎng)氣相速度大于平面噴霧流場(chǎng)氣相速度，且噴霧覆蓋范圍也比平面大.成膜區(qū)噴霧流場(chǎng)形態(tài)差異的產(chǎn)生主要是因?yàn)楸粐娦蚊娴牟煌簢婌F流場(chǎng)擴(kuò)散至成膜區(qū)后，會(huì)受到被噴形面的阻礙，當(dāng)被噴形面為平面時(shí)，噴霧流場(chǎng)只能橫向擴(kuò)散;被噴形面為球形面時(shí)，由于球形面是向外凸起的弧面，噴霧流場(chǎng)可沿橫向和縱向繼續(xù)擴(kuò)散，氣相縱向速度并不為零，使得球形面噴霧流場(chǎng)氣相速度較大且覆蓋范圍較廣.

3.1.2? ?涂料液滴分布

球形面形狀也對(duì)噴霧流場(chǎng)中涂料液滴分布產(chǎn)生影響，涂料液滴分布直接決定著噴涂成膜質(zhì)量. 圖7表示的是被噴球形面在噴霧流場(chǎng)中的噴涂狀態(tài).

圖8中，小粒徑液滴大都分布在噴霧流場(chǎng)的外圍;大粒徑液滴主要分布在噴霧流場(chǎng)中心區(qū)域;而中等粒徑液滴則主要分布于小粒徑涂料液滴和大粒徑液滴之間.這是因?yàn)橥苛显跉庀嗔鲌?chǎng)的沖擊下迅速霧化成液滴并獲得初速度，中等粒徑液滴和大粒徑液滴由于其自身慣性大，不易被氣相流場(chǎng)帶動(dòng);小粒徑液滴體積、質(zhì)量較小，在輔助霧化孔和扇面控制孔噴射出的高速氣流的雙重沖擊作用下，小粒徑液滴獲得了較大的橫向速度，并在X方向上被壓縮，向Y方向擴(kuò)散，最終運(yùn)動(dòng)至噴霧流場(chǎng)邊緣. 同時(shí)，由于湍流作用，在小粒徑液滴分布空間外側(cè)也有少量的中等粒徑液滴和大粒徑液滴.

從不同粒徑液滴的分布位置可知，涂膜的形成主要依靠中等粒徑液滴和大粒徑液滴，而小粒徑液滴因受空氣流動(dòng)影響較大，對(duì)涂膜形成只起輔助作用. 但如果噴霧流場(chǎng)中小粒徑液滴過(guò)多，氣相流場(chǎng)會(huì)將大量小粒徑液滴帶向噴霧流場(chǎng)外圍，導(dǎo)致達(dá)到被噴球形面的液滴數(shù)量大幅減少，嚴(yán)重影響涂料涂著率和涂膜質(zhì)量.

3.2? ?球形面形狀對(duì)噴涂成膜的影響

不同粒徑的涂料液滴在氣流的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)至被噴工件表面，撞擊、黏附形成涂膜. 通過(guò)對(duì)撞擊黏附模型中涂料液膜厚度的求解，得到了在相同噴涂參數(shù)下平面和球形面的噴涂成膜圖形，如圖9所示.

由圖9可知，平面噴涂涂膜為橢圓面，球形面噴涂涂膜為球面，兩者涂膜厚度均沿徑向遞減. 但球形面涂膜的空間橢圓環(huán)狀比平面更加明顯，說(shuō)明球形面涂層的均勻性比平面更好. 在涂膜邊緣，球形面涂膜仍能保持較為完整的橢圓狀，而平面涂膜已開(kāi)始分離潰散，且沿徑向方向逐漸出現(xiàn)獨(dú)立不規(guī)則的涂膜微團(tuán).

在圖9的基礎(chǔ)上，利用貼體坐標(biāo)，沿長(zhǎng)軸（Y軸）與短軸（X軸）方向?qū)⒉煌蚊娴耐苛弦耗ず穸戎祵?dǎo)出，得到了圖10所示的涂層厚度分布圖.其中，圖10（a）（b）分別表示平面涂膜長(zhǎng)軸與短軸方向的涂層厚度分布情況，圖10（c）（d）分別表示球形面涂膜長(zhǎng)軸與短軸方向的涂層厚度分布.

由圖10可知，無(wú)論是球形面還是平面，長(zhǎng)軸方向和短軸方向的涂層厚度都具有相同的變化趨勢(shì)，且涂層厚度分布都關(guān)于橢圓面中心對(duì)稱;長(zhǎng)軸方向的涂層厚度都大于短軸方向的涂層厚度，且長(zhǎng)軸方向的涂膜分布范圍都大于短軸方向的涂膜分布范圍，符合橢圓面涂層的形狀特征. 無(wú)論是長(zhǎng)軸方向還是短軸方向，平面的涂層厚度均大于球形面的涂層厚度，平面的涂膜分布范圍都大于球形面的涂膜分布范圍. 球形面涂膜分布范圍比平面小，主要是因?yàn)樵谙嗤膰娡苛髁亢蛧娡繒r(shí)間條件下，球形面表面向外凸起，大量涂料液滴在氣相流場(chǎng)的帶動(dòng)下向四周擴(kuò)散，最終運(yùn)動(dòng)至球形面之外，并未在球形面上形成涂膜，這也使得球形面的涂料涂著率要小于平面.

3.3? ?球形面直徑對(duì)噴涂成膜的影響

在實(shí)際噴涂過(guò)程中，不同直徑球形面的噴涂成膜質(zhì)量也各不相同，其差異主要表現(xiàn)在涂膜分布范圍、涂層厚度和涂料涂著率等方面. 在保持其他噴涂參數(shù)不變的條件下，針對(duì)平面和不同直徑的球形面噴涂，再次利用撞擊黏附模型對(duì)涂料液膜厚度進(jìn)行求解，得到了如圖11所示的涂層厚度分布圖.

由圖11可知，盡管球形面直徑改變，但在長(zhǎng)軸方向和短軸方向上的涂層厚度分布都呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，且球形面直徑越大，其涂層厚度分布與平面越相似. 但隨著球形面直徑減小，涂膜分布范圍縮小，涂層變薄，涂料涂著率降低. 并且，球形面直徑越大，其涂層厚度分布規(guī)律與平面越接近.

球形面涂層厚度分布隨球形面直徑的變化規(guī)律與其上方的噴霧流場(chǎng)息息相關(guān)，為便于分析，取球形面上方20 mm處（Z = 160 mm）的噴霧流場(chǎng)進(jìn)行分析，如圖12所示.

利用連續(xù)相模型，求解出噴霧流場(chǎng)在所選平面（Z = 160 mm）上的氣相速度分布云圖，如圖13所示. 其中，圖13（a）（b）（c）（d）依次表示直徑為380 mm、440 mm、550 mm的球形面和平面在所選平面上的氣相速度分布云圖.

由圖13可知，不同直徑球形面和平面在Z = 160 mm處的噴霧流場(chǎng)氣相速度均處于0～8 m/s范圍內(nèi)，噴霧流場(chǎng)中心區(qū)域?yàn)閳A柱形，整體形似蝴蝶;隨著球形面直徑增大，噴霧流場(chǎng)向四周擴(kuò)散，平面

時(shí)噴霧流場(chǎng)范圍最大，且在短軸方向中心區(qū)域的兩端逐漸形成兩個(gè)亞中心區(qū)域（最大速度比中心區(qū)域略?。?，形似蝴蝶兩翼，噴霧圖形的蝴蝶狀更加明顯.

對(duì)圖13進(jìn)行定量分析，將氣相速度值沿長(zhǎng)軸方向和短軸方向?qū)С?，得到如圖14所示的在長(zhǎng)軸方向和短軸方向上噴霧流場(chǎng)速度分布曲線圖.

由圖14可知，無(wú)論是在長(zhǎng)軸方向還是短軸方向上，平面和不同直徑球形面的噴霧流場(chǎng)氣相速度都呈現(xiàn)出各自相似的變化規(guī)律，且球形面直徑越大，其噴霧流場(chǎng)氣相速度分布與平面相似度越高. 在長(zhǎng)軸方向上，不同直徑球形面的噴霧流場(chǎng)都在中心區(qū)域呈現(xiàn)出同樣的速度雙峰，但平面噴霧流場(chǎng)在中心區(qū)域出現(xiàn)了3個(gè)速度峰值;隨著球形面直徑增大，噴霧流場(chǎng)速度逐漸減小，中心區(qū)域范圍基本保持恒定. 在短軸方向上，不同直徑球形面和平面的噴霧流場(chǎng)僅有一個(gè)速度峰值;隨著球形面直徑增大，噴霧流場(chǎng)中心區(qū)域速度逐漸減小，但變化范圍基本保持恒定，而兩個(gè)亞中心區(qū)域速度逐漸增大，且范圍逐漸變大.

由前面的分析可知，球形面直徑對(duì)涂層厚度的影響主要有兩方面：一方面，當(dāng)球形面直徑增大時(shí)，噴霧流場(chǎng)氣相速度呈現(xiàn)出中間區(qū)域減小，四周區(qū)域增大的變化趨勢(shì)，說(shuō)明球形面對(duì)噴霧流場(chǎng)的阻礙作用隨球形面直徑的增大而增大，使得撞擊黏附在球形面上的液滴增多，涂層變厚;另一方面，球形面直徑增大也使得除被噴球形面中心點(diǎn)外，其余各點(diǎn)處的噴涂距離都隨之減小，并且越偏離球形面中心，噴涂距離減幅越大，即被噴球形面在噴霧流場(chǎng)中所占空間擴(kuò)大，在噴霧流場(chǎng)尾部原本偏離球形面的涂料液滴也與球形面發(fā)生碰撞形成涂膜，使得涂料涂著率升高，涂層厚度增大.

4? ?噴涂成膜實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證前文的仿真結(jié)果，采用直徑為380 mm、440 mm、550 mm的球形面和平面進(jìn)行了噴涂實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，噴槍始終垂直于被噴形面. 工件完成噴涂后進(jìn)行兩天的干燥，期間不得觸碰涂膜. 圖15中表示的是直徑440 mm、噴涂距離180 mm球形面涂膜. 待油漆完全干燥、凝結(jié)后，利用涂層測(cè)厚儀對(duì)涂膜長(zhǎng)軸方向和短軸方向的厚度進(jìn)行測(cè)量，記下測(cè)量點(diǎn)的球形面展開(kāi)坐標(biāo)系坐標(biāo)及涂膜厚度.測(cè)量涂膜厚度時(shí)，間隔5 mm取點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)位測(cè)量3次，取平均值作為該點(diǎn)位的涂膜厚度，再將其除以3得到噴涂時(shí)間為0.5 s的涂膜厚度.

在相同噴涂條件下，分別對(duì)平面和球形面進(jìn)行噴涂實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的涂層厚度數(shù)據(jù)與利用撞擊黏附模型計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到圖16（a）（b）所示的在平面和球形面長(zhǎng)軸方向上數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)所得的涂層厚度分布曲線.

然后再分別對(duì)直徑為380mm、440mm、550mm的球形面和平面進(jìn)行噴涂實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的涂層厚度數(shù)據(jù)與利用撞擊黏附模型計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到了圖17所示的涂層厚度分布曲線.

由圖16和圖17可知，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果吻合，表明建立的噴涂模型應(yīng)用于球形面和平面噴涂是可行的，利用撞擊黏附模型進(jìn)行數(shù)值模擬所得到的球形面形狀與球形面半徑對(duì)成膜的影響規(guī)律成立.

5? ?結(jié)? ?論

球形面噴涂成膜實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果吻合，驗(yàn)證了球形面噴涂成膜特性：

1）球形面噴涂噴霧流場(chǎng)形態(tài)與平面噴涂噴霧

流場(chǎng)形態(tài)在擴(kuò)散區(qū)基本相同，但在成膜區(qū)球形面噴霧流場(chǎng)氣相速度更大、覆蓋范圍更廣;噴霧流場(chǎng)中的大粒徑液滴和中等粒徑液滴是形成涂膜的主要來(lái)源，而小粒徑液滴只起輔助作用.

2）球形面噴涂涂膜為空間外凸橢圓面，平面噴涂涂膜為平面橢圓面，兩者涂層厚度均沿橢圓徑向方向遞減;球形面噴涂涂膜涂層比平面薄，涂膜分布范圍比平面小，涂料涂著率比平面低，但涂層均勻性比平面好.

3）球形面噴涂成膜受球形面直徑影響較大：隨著球形面直徑增加，涂膜覆蓋范圍逐漸擴(kuò)大，涂層厚度增大，涂著率增大，涂層厚度均勻性增加.

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