王戰(zhàn)中，楊晨霞，張保真，張明亮

(石家莊鐵道大學機械工程學院，河北 石家莊 050043)

1 引言

隨著我國綜合國力的提升，汽車行業(yè)已經逐漸成為我國重要的經濟支柱產業(yè)，靜電涂裝逐漸成為汽車噴涂行業(yè)的發(fā)展趨勢，汽車噴涂工藝[1]不斷完善，噴涂質量不斷提升。在汽車噴涂過程中，存在多種影響靜電涂裝的因素。為了有效提升涂料霧化程度，提高汽車噴涂質量，需對影響靜電涂裝的各項因素進行研究和仿真，從而為合理選擇靜電涂裝參數提供理論依據和實踐指導。

中國科技大學陳效鵬和董紹彤等，研究了與霧化現(xiàn)象有關的參數，提出了靜電霧化現(xiàn)象中不同流動

狀態(tài)形成的不同的模型[2]。廣東工業(yè)大學的彭成新在其碩士學位論文中指出靜電噴涂過程中輸入變量比較多(如噴涂電壓，旋杯轉速，噴涂間距等)，且這些變量都是非線性變量，變量之間的耦合關系極其復雜。當利用遺傳算法優(yōu)化后的神經網絡系統(tǒng)對真空度、噴涂時間、靜電電壓、電流、涂漆量、霧化氣壓、扇形氣壓等噴涂參數進行多次計算實驗[3]，但在數值模擬各因素對霧化效果的影響及多因素同時對霧化效果的影響方面的研究還較少。選用ANSYS軟件中的FLUENT模塊以控制變量法對高速旋杯式靜電霧化器各因素與霧化效果的關系進行仿真，以壓力分布

圖和速度曲線圖描述靜電霧化的效果。有效地提升涂料的霧化效果和汽車的噴涂質量，為選擇合理的靜電涂裝參數提供理論指導。

2 靜電涂裝的原理

靜電涂裝是近年來發(fā)展的新型涂裝技術，能滿足大規(guī)模自動涂裝生產線。且由于車體本身是導體，滿足靜電涂裝的要求，因此適合以靜電方式實現(xiàn)車體表面的涂裝工藝。

直流電暈放電示意圖，如圖1所示。左右分別是一針狀電極和一平板電極，當在兩電極間施加萬伏高壓靜電電場時，針狀電極尖端將以極其強烈的速度放出電子，通過這種方式使空氣呈現(xiàn)導電的現(xiàn)象，即電暈放電。電暈放電起始電壓與極性之間的關系，如圖2所示。在相同的極間距下，負極性電暈放電起始電壓比正極電暈放電起始電壓低，且形成的電暈放電更穩(wěn)定，方便使用。為了使帶有負電荷的涂料霧滴在電場力的作用下，吸附到正極的車體表面，完成涂裝過程，因此在實際涂裝過程中，普遍采用負極性靜電噴涂。由于同種電荷互相排斥的原理，新吸附的涂料霧滴會更傾向于沉積到未噴涂的車體表面，從而使車體涂裝更均勻。另外由于車體接地保護，因此能夠很快地將涂料霧滴攜帶的負電荷傳遞到大地，而不會累積，這樣就不會影響車體對隨后涂料霧滴的吸附。

圖1 直流電暈放電示意圖Fig.1 Diagram of DC Corona Discharge

圖2 電暈放電起始電壓與極性之間的關系Fig.2 The Relation between the Initial Voltage and Polarity of Corona Discharge

3 仿真參數設定

3.1 流體材料的選定

對高速旋杯式靜電霧化器結構進行流體仿真時，選擇液態(tài)涂料和氣態(tài)旋轉限幅空氣完成兩相材料的確定。流體屬性參數表，如表1所示。

表1 流體屬性參數表Tab.1 Fluid Attribute Parameter Table

3.2 主相和副相的設置

涂料通過高速旋杯式靜電霧化器進行霧化，由于旋轉限幅空氣影響涂料霧化效果，在霧化器內部可以看成液態(tài)涂料與氣態(tài)旋轉限幅空氣的混合，將主相phase-1設置為液態(tài)涂料，將副相phase-2設置為氣態(tài)旋轉限幅空氣。

3.3 模型的建立和網格的劃分

由于高速旋杯式靜電霧化器結構具有軸對稱性，因此霧化器內部的流體區(qū)域可沿軸向中心線所在的截面簡化為二維模型[4]?；緟等缦拢和苛先肟谥睆綖?0mm的圓孔，旋轉限幅空氣入口為10mm的圓孔，高速旋杯式靜電霧化器出口為直徑為240mm，高300mm的圓柱體邊界。霧化器流體模型網格劃分圖，如圖3所示。

圖3 霧化器流體模型網格劃分圖Fig.3 Mesh Generation Diagram of Nebulizer Fluid Model

在ANSYS軟件的FLUENT模塊[5]，對影響高速旋杯式靜電霧化器霧化效果的主因素進行仿真[6]，通過壓力分布圖和速度曲線圖刻畫各因素對靜電涂裝的效果[7-8]。

4 影響霧化效果主要因素的仿真

4.1 中心孔直徑對霧化效果的影響

不同中心孔直徑下的壓力分布圖，如圖4所示。由于霧化器內部截面呈軸對稱分布，以霧化器中心軸為對稱軸，壓力分布圖均呈現(xiàn)軸對稱分布。沿涂料入口至出口方向，由于霧化器內部流動過程中存在流動阻力和局部阻力，壓力值總體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。霧化器涂料入口橫截面附近產生顯著壓力變化，其主要原因是霧化器內部涂料流動方向的改變 旋轉限幅空氣的作用和霧化器內部截面的縮小。圖4(a)～圖4(d)中，最大壓力值分別為1634.644Pa，1060.204Pa，828.869Pa，702.122Pa。隨著中心孔直徑的增大，最大壓力值逐漸減小，且各部分壓力值均呈現(xiàn)減小的趨勢。表明在一定條件下，中心孔直徑越大，壓力值越小，涂料的霧化效率越低。

圖4 不同中心孔直徑下的壓力分布圖Fig.4 Pressure Distribution Diagram of Different Center Hole Diameters

不同中心孔直徑下霧化器出口各點的速度曲線圖，如圖5所示。霧化器出口邊界各點的速度變化較為明顯，涂料速度先下降，隨著兩側旋轉限幅空氣的交匯，涂料速度呈現(xiàn)上升的趨勢，在涂料速度上升達到峰值后，隨著軸向間距的增大，旋轉限幅空氣的能量消耗隨之增大，各點速度緩慢下降。在圖5(a)～圖5(d)中，隨著中心孔直徑的增大，涂料速度峰值點和極小值點逐漸左移。由于涂料粒子受重力和離心力的影響，霧化器兩側對稱出口邊界的涂料速度不一致。當中心孔直徑為60mm時，霧化器兩側對稱出口邊界的涂料速度差更明顯。通過以上對不同中心孔直徑仿真結果可知，當其他仿真參數不變時，為保證霧化效果，中心孔直徑的最佳選擇范圍為(40～60)mm。

圖5 不同中心孔直徑下霧化器出口各點的速度曲線圖Fig.5 Velocity Curve of Atomizer Outlet Points with Different Center Hole Diameters

4.2 旋轉限幅空氣入口交角對霧化效果的影響

不同旋轉限幅空氣入口交角下的壓力分布圖，如圖6所示。壓力分布圖整體呈軸對稱分布。在霧化器入口至霧化器出口方向，涂料在流動阻力與旋轉限幅空氣的促進作用下，壓力分布圖呈帶狀分布。在圖6(a)～圖6(d)中，最大壓力值分別為1042.404Pa，1041.282Pa，1040.371Pa，1040.834Pa。隨著旋轉限幅空氣入口交角的增大，最大壓力值逐漸減小，由于旋轉限幅空氣碰撞到霧化器邊緣，造成氣體能量損耗和氣流散射，霧化器中各區(qū)域壓力值依次減小，霧化效率降低。當旋轉限幅空氣入口交角增大至30°，霧化器中各區(qū)域壓力值開始增大，霧化效率提高。

圖6 不同旋轉限幅空氣入口交角下的壓力分布圖Fig.6 Pressure Distribution Map at Different Intersection Angles of Rotary Limited Air Inlet

不同旋轉限幅空氣入口交角下霧化器出口各點的速度曲線圖，如圖7所示。圖7中可以看出，霧化器出口各點的速度不同，涂料速度先逐漸下降，在達到旋轉限幅空氣交匯點后，在旋轉限幅空氣的影響下，涂料速度逐漸上升，但隨著軸向間距的增大，旋轉限幅空氣的能量逐漸降低，因此霧化器出口的各點涂料速度緩慢下降。在圖7(a)～圖7(d)中，隨著旋轉限幅空氣入口交角的增大，涂料速度峰值點和極小值點逐漸右移。

圖7 不同旋轉限幅空氣入口交角下霧化器出口各點的速度曲線圖Fig.7 Velocity Curve of Atomizer Exit Points at Different Rotary Limit Air Inlet Angles

通過以上對不同旋轉限幅空氣入口交角仿真結果可知，當其他仿真參數不變時，為保證霧化效果，旋轉限幅空氣入口交角的最佳選擇范圍為大于20°。

4.3 中心孔直徑與旋轉限幅空氣入口交角同時對霧化效果的影響

為探索旋杯中心孔直徑與旋轉限幅空氣入口交角的影響，設置中心孔直徑及旋轉限幅空氣入口交角的基本參數和四組對比參數。中心孔直徑與旋轉限幅空氣入口交角的參數設置，如表2所示。

表2 中心孔直徑與旋轉限幅空氣入口交角的參數設置Tab.2 Parameter Setting of Intersection Angle between Center Hole Diameter and Rotary Limit Air Inlet

采用控制變量法研究中心孔直徑和旋轉限幅空氣入口交角同時對霧化效果的影響。不同中心孔直徑與旋轉限幅空氣入口交角下的壓力分布圖，如圖8所示。霧化器入口至霧化器出口方向，壓力分布圖呈帶狀分布。圖8(a)中設置基本對比參數：中心孔直徑為50mm，旋轉限幅空氣入口交角為14°，最大壓力值為1042.633Pa。圖8(b)中，中心孔直徑增大，旋轉限幅空氣入口交角增大，最大壓力值為698.622Pa。當中心孔直徑和旋轉限幅空氣入口交角同時增大時，壓力值減小，霧化效率減弱。圖8(c)中，中心孔直徑增大，旋轉限幅空氣入口交角減小，最大壓力值為698.553Pa。當中心孔直徑增大，旋轉限幅空氣入口交角減小時，壓力值減小，霧化效率減弱。圖8(d)中，中心孔直徑減小，旋轉限幅空氣入口交角增大，最大壓力值為1635.130Pa。當中心孔直徑減小，旋轉限幅空氣入口交角增大時，壓力值增大，霧化效率增強。圖8(e)中，中心孔直徑減小，旋轉限幅空氣入口交角減小，最大壓力值為1655.013Pa。當中心孔直徑和旋轉限幅空氣入口交角同時減小時，壓力值增大，霧化效率增強。

圖8 不同中心孔直徑與旋轉限幅空氣入口交角下的壓力分布圖Fig.8 Pressure Distribution Map of Different Center Hole Diameter at Intersection Angle of Rotary Limited Air Inlet

不同中心孔直徑與旋轉限幅空氣入口交角下霧化器出口各點的速度曲線圖，如圖9所示。圖9(a)中基本對比參數為：中心孔直徑為50mm，旋轉限幅空氣入口交角為14°。圖9(b)中，中心孔直徑增大，旋轉限幅空氣入口交角增大，霧化器兩側對稱出口邊界的涂料速度差更明顯。圖9(c)中，中心孔直徑增大旋轉限幅空氣入口交角減小涂料速度峰值點和極小值點均左移。圖9(d)中，中心孔直徑減小，旋轉限幅空氣入口交角增大，霧化器出口起始位置下降點增多，涂料速度峰值點和極小值點均右移。圖9(e)中，中心孔直徑減小，旋轉限幅空氣入口交角減小，霧化器出口起始位置的下降點增多，涂料速度峰值點和極小值點均右移。通過以上對不同中心孔直徑與旋轉限幅空氣入口交角仿真結果可知，旋轉限幅空氣入口交角對霧化效果影響較小，當其他仿真參數不變時，為保證霧化效果，可適當減小中心孔直徑。

圖9 不同中心孔直徑與旋轉限幅空氣入口交角下霧化器出口各點的速度曲線圖Fig.9 Velocity Curve of Atomizer Exit Points at the Angle of Intersection of Different Center Hole Diameter and Rotary Limited Air Inlet

5 結論

(1)以旋杯的中心孔直徑和旋轉限幅空氣入口交角為例，研究單因素對霧化效果的影響關系。當其他仿真參數不變時，隨著中心孔直徑的增大，最大壓力值逐漸減小，霧化效率逐漸降低。隨著旋轉限幅空氣入口交角的增大，最大壓力值先減小再增大。為保證霧化效果，中心孔直徑的最佳選擇范圍為(40～60)mm，旋轉限幅空氣入口交角的最佳選擇范圍為大于20°。(2)以旋杯的中心孔直徑和旋轉限幅空氣入口交角為例，研究雙因素對霧化效果的影響關系。當兩因素同時作用時，旋轉限幅空氣入口交角對霧化效果影響較小。當其他仿真參數不變時，為保證霧化效果，可適當減小中心孔直徑，中心孔直徑的最佳取值范圍為(40～50)mm，旋轉限幅空氣入口交角的最佳取值范圍為(20～30)°。為選擇合理的霧化參數提供方向，為實際噴涂過程提供了實踐指導。