詹劍良，金浩哲

（1.紹興職業(yè)技術學院，浙江紹興 312000；2.浙江理工大學，浙江杭州 310018）

0 引言

自20世紀90年代末以來，中國汽車市場持續(xù)增長，并且已經(jīng)連續(xù)8年銷量位居全球第一，2017年達到了2 940萬輛的規(guī)模。中國已成為世界上最大的汽車生產(chǎn)國和汽車銷售市場，汽車工業(yè)已成為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)[1]。2018年，中國汽車市場出現(xiàn)負增長，各個汽車品牌都在尋求提升品牌競爭力的方法。涂裝質(zhì)量是評判汽車品質(zhì)的一項綜合性關鍵指標，亦是汽車實現(xiàn)精品化過程中需要解決的難題之一。

汽車涂裝工藝作為汽車制造的四大工藝之一，是投資最大、技術最先進的汽車生產(chǎn)工藝流程。涂裝的主要目的是獲得具有優(yōu)異保護性、持久性和裝飾性的漆膜[2-3]，從而延長汽車的使用壽命，確保汽車具有良好的防腐蝕能力。穩(wěn)定可靠的涂料和溶劑除了提供適當?shù)酿ざ?、壓力、流速和涂料溫度外，還是獲得高質(zhì)量涂裝的重要條件。

傳統(tǒng)的汽車涂裝采用的溶劑型3C2B工藝體系，在涂裝過程中使用溶劑型涂料，會產(chǎn)生超過120 g/m3的揮發(fā)性有機化合物（VOC），這些VOC散逸到空氣中不僅污染大氣環(huán)境，而且會對人類健康也造成巨大的危害[4]。隨著國家對清潔生產(chǎn)的日益重視，逐步引入限制VOC排放的環(huán)保政策，水性涂料逐漸應用于汽車涂裝行業(yè)，也是未來的發(fā)展趨勢。

水性涂料雖然在環(huán)保性能上優(yōu)于傳統(tǒng)溶劑型涂料，但在物理性能上，水性涂料產(chǎn)品存在施工難、不耐水、易起皮、豐滿度差、硬度差等缺陷，涂裝質(zhì)量低于溶劑型涂料。而涂料混合系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的涂料，是保證漆膜質(zhì)量的關鍵系統(tǒng)[4]。

無論是傳統(tǒng)溶劑型涂料還是水性涂料，攪拌的好壞程度會直接影響噴涂質(zhì)量與整車車身美感，是影響汽車品質(zhì)的核心環(huán)節(jié)。通過選擇合適的攪拌器和設定合理的攪拌參數(shù)，實現(xiàn)攪拌混合的功能，穩(wěn)定涂料質(zhì)量，進而提高涂裝的質(zhì)量。

以某公司汽車涂裝攪拌系統(tǒng)中的攪拌工況參數(shù)為基礎，選擇水性涂料作為攪拌對象，對3種攪拌器的流場進行對比分析，總結(jié)各攪拌器葉片參數(shù)對攪拌質(zhì)量的影響，為后續(xù)工業(yè)設計提供理論參考。

1 涂料攪拌器三維建模及數(shù)值模擬

1.1 幾何模型

根據(jù)水性涂料的特性，選擇二折葉、推進式、復合式3種攪拌器，采用UG（Unigraphics NX）進行三維建模，詳見圖1。

圖1 攪拌器示意圖Figure 1 Schematic diagrams of agitators

由于涂料攪拌系統(tǒng)較為復雜且許多裝置對計算沒有影響，復雜的模型會加大三維建模的難度，影響計算速度，故對涂料攪拌系統(tǒng)進行簡化。圖2為簡化后調(diào)漆桶的形狀及尺寸，調(diào)漆桶為攪拌容器。

圖2 簡化的調(diào)漆桶Figure 2 Simplified paint bucket

選用某公司提供的攪拌系統(tǒng)參數(shù)進行仿真，根據(jù)調(diào)漆桶尺寸選取攪拌器及其尺寸。表1為簡化后的攪拌系統(tǒng)的尺寸參數(shù)。

表1 簡化后的涂料攪拌系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Simplified parameters of the paint stirring system

1.2 網(wǎng)格模型

采用Gambit軟件完成網(wǎng)格劃分。攪拌器外形結(jié)構(gòu)較為復雜，調(diào)漆桶存在多處不規(guī)則結(jié)構(gòu)，橢圓封頭屬于復雜結(jié)構(gòu)，再加上調(diào)漆桶內(nèi)為非牛頓流體，其流型錯綜復雜，故采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格對攪拌反應釜模型進行網(wǎng)格劃分。同時，3種不同攪拌器模型的網(wǎng)格劃分應具有相似性。采用網(wǎng)格分塊劃分，對3種不同的葉片進行加密處理，對于兩邊界層處網(wǎng)格也需要加密處理。網(wǎng)格劃分示意圖如圖3所示。

圖3 攪拌器網(wǎng)格劃分示意圖Figure 3 Mesh division diagrams of agitators

開展3種不同攪拌器的攪拌數(shù)值模擬，輸調(diào)漆桶中的介質(zhì)為水性涂料。水性涂料為密度1 000 kg/m3的非牛頓流體，且其黏度隨剪切速率的增加而降低，根據(jù)其流變特性曲線，模擬攪拌器可變的量為攪拌轉(zhuǎn)速與通氣量。

攪拌設備CFD分析的力學模型基于質(zhì)量、動量、能量守恒3個基本傳遞方程[5-6]。

連續(xù)性方程：

動量方程：

X方向：

能量方程：

式中：v—速度矢量，m/s；p—修正壓力，Pa；e—內(nèi)能，J；k—熱導率；ρ—密度，kg/m3。

本研究中，所使用的湍流模型是標準k-ε模型，其方程為：

使用μt可以確定標準k-ε模型中的k方程和ε方程，如下所示：

式中：Gk—平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生項；Gb—浮力引起的湍動能k產(chǎn)生項；Ym—可壓縮性引起的湍流能消耗項。攪拌器中的流場計算采用多重參考系（MRF）模型（圖4）。

圖4 多重參考系劃分圖Figure 4 The partition diagram of multiple reference frame

根據(jù)水性涂料流變特性曲線可知，水性涂料適用于冪律模型。非牛頓流體冪律黏度的形式為：

式中：n—冪律指數(shù)；T0—參考溫度；ηmin—零剪切黏度；ηmax—無窮剪切黏度。

1.3 初始條件設置

（1） 求解器的選擇。選擇3維穩(wěn)態(tài)求解器。

（2） 攪拌模型的選擇。選擇標準k-ε模型。

（3） 設置物性。水性涂料為非牛頓流體，根據(jù)其特性選擇冪律模型。

（4） 操作條件設置。該模擬需考慮重力影響。故設定Z方向上的重力加速度分量值為-9.81 m/s2。

（5） 設定邊界條件。對攪拌器、攪拌軸、定子區(qū)和轉(zhuǎn)子區(qū)分別進行設置，根據(jù)實際工況攪拌器轉(zhuǎn)速設置為95 r/min。

（6） 將轉(zhuǎn)子區(qū)內(nèi)的流體設定與攪拌槳相同轉(zhuǎn)速進行旋轉(zhuǎn)，而定子區(qū)內(nèi)的流體則是靜止的。槽內(nèi)壁面定義為靜止，攪拌軸及槳葉設為運動壁面，模型的自由液面處采用自由邊界條件。

2 結(jié)果與討論

考慮到水性涂料的特性，對比分析調(diào)漆桶的速度云圖、速度矢量圖和速度分布圖來判定涂料的混合程度。

2.1 速度云圖

圖5為3種攪拌器縱向（X=0）和橫向（Z=0）2個方向上的速度云圖（單位為m/s），通過縱向（X=0）速度云圖對比可以看出，二折葉攪拌器與推進式攪拌器的速度云圖梯度相似、云圖形狀相似，復合式攪拌器的速度云圖面積范圍最大。通過橫向（Z=0）速度云圖可以看出，復合式攪拌器大速度區(qū)域更多，但攪拌器罐壁面周圍仍然沒有速度云圖。

圖5 攪拌器的速度云圖Figure 5 Velocity cloud diagrams of agitators

2.2 速度矢量圖

圖6為3種攪拌器在縱向（X=0）、橫向（Z=0）截面的速度矢量圖（單位為m/s），由于離心作用，在槳葉兩端射出高速流體，沿攪拌器直徑方向流動碰到攪拌罐壁面出現(xiàn)上下分流，向上的流體由于受到重力的作用，產(chǎn)生向下的加速度在攪拌器槳葉上端形成回流。由于攪拌器高速旋轉(zhuǎn)，在其下端形成負壓區(qū)，給向下的流體提供向上的加速度，使其在攪拌器槳葉下端形成回流。從復合式攪拌器速度矢量圖中能夠明顯地看到其呈現(xiàn)徑向流動，圖6c左圖中4個“漩渦”能清晰準確地顯示攪拌回流的過程。從圖6中可以看出，二折葉攪拌器與推進式攪拌器“漩渦”不明顯，且調(diào)漆桶上方流動不明顯，復合式攪拌器“漩渦”明顯且攪拌上方速度矢量明顯。

圖6 攪拌器的速度矢量圖Figure 6 Velocity vector diagrams of agitators

如圖7所示，截取3個XY平面，截面1：Z=0的XY平面；截面2：距截面1-100 mm；截面3：距截面1 200 mm?？蓮?個截面處清晰地看出不同截面的速度情況（單位m/s）：二折葉攪拌器、推進式攪拌器、復合式攪拌器截面2處的速度均大于截面3處的速度。

圖7 截面速度矢量圖Figure 7 Velocity vector diagrams of the cross-section

2.3 速度分布圖

為研究回流區(qū)內(nèi)部流場，在調(diào)漆桶內(nèi)選擇Z軸生成速度分布折線圖，見圖8。由圖8可以看出，二折葉攪拌器與推進式攪拌器調(diào)漆桶內(nèi)速度曲線相似，復合式攪拌器的最大速度更靠近桶底。Z軸上的最大速度：復合式攪拌器＞二折葉攪拌器＞推進式攪拌器。

圖8 Z軸上的速度分布圖Figure 8 Velocity distribution diagrams on the Z axis

選擇X軸生成速度分布折線圖，見圖9。由圖9可以看出，3種攪拌器折線規(guī)律相似。X軸上的最大速度：復合式攪拌器＞推進式攪拌器＞二折葉攪拌器。

圖9 X軸上的速度分布圖Figure 9 Velocity distribution diagrams on the X axis

3 結(jié)語

（1） 速度云圖：調(diào)漆桶內(nèi)速度分布范圍，復合式攪拌器＞推進式攪拌器＞二折葉式攪拌器。

（2） 速度矢量圖：調(diào)漆桶內(nèi)回流狀況，復合式攪拌器＞推進式攪拌器＞二折葉式攪拌器。

（3） 速度分布：Z軸最大速度，復合式攪拌器＞二折葉攪拌器＞推進式攪拌器；X軸最大速度，復合式攪拌器＞推進式攪拌器＞二折葉攪拌器。