基于数值模拟的喷枪结构优化研究

引言

近几年我国开始对喷枪技术进行研究,但进程十分缓慢,对此本文基于数值模拟的方式对喷枪结构进行优化研究,以提高我国喷枪的技术水平,促进我国喷枪技术和工艺的发展。数值模拟也被称为计算机模拟,其原理是通过电子计算机与有限元或有限容积的概念相结合,通过数值计算和图像显示的方法对工程问题和物理问题进行研究。

1喷枪基本结构

喷枪基本结构为枪身、喷嘴套装、控制部件和其他附件,包括雾化帽总成、针嘴组合、枪体、进气口接头、涂料接头、扩散调节总成、导套总成、活塞密封圈、活塞、枪针弹簧、活塞弹簧、调节阀总成、安装螺丝总成、密封座总成、防护罩、空气接头等,其中喷嘴套装是整个喷枪中最重要的部分,决定着喷枪的喷涂效果。喷嘴套装主要由主雾化孔和扇面控制孔组成,因此本文对喷枪结构的优化实质是对主雾化孔和扇面控制孔进行优化。

2喷枪主雾化孔数值模拟

2.1运动公式

在使用喷枪进行喷涂时,主雾化孔以抽吸方式使喷出的涂料气流与液柱之间形成速度差,将空气压缩在喷枪的枪嘴形成负压区,从而让喷射出的涂料产生雾化现象,再通过气流的压力将雾化后的涂料喷射到被喷涂物的表面形成涂装层。

基于数值模拟,通过对气体在喷枪涂流场中的运动公式(1）进行计算:

式中,表示单位体积中的惯性力:pN表示单位体积中的质量力,divH表示单位体积中应力张量的散度。

2.2其他参数设定

在对喷枪主雾化孔进行数值模拟时,将喷枪扇面控制孔所产生的影响和碰壁情况忽略不计,只计算主雾化孔的运动过程。在网格划分时,将涂料喷嘴设置为入口1,主雾化孔设置为入口2,扇面控制孔设置为入口3,流体域的上部表面设置为出口,并且将出口压力值设置为0,将湍流参数设定为湍流强度的20%,水力直径为0004m,其他参数设定为默认参数。

2.3数值模拟结果

通过对喷枪主雾化孔进行数值模拟,结果表明,主雾化孔为圆形或矩形时,其雾化得到较为良好的扩散,而当主雾化孔呈三角形时,雾化扩散效果较差,因此可以得出结论:喷枪主雾化孔呈圆形或矩形时,喷枪的喷涂效果更好:喷枪主雾化孔呈三角形时,喷枪的喷涂效果较差。

从喷涂图样的对称性角度分析,当主雾化孔为圆形或矩形时,喷枪喷涂的图样从纵截面和横截面上看都具有均匀良好的对称性:而当主雾化孔为三角形时,喷枪喷涂的图样在纵截面上的对称性较差,导致图样的截面出现不对称现象。因此,选用圆形或矩形的主雾化孔结构可以对喷枪进行优化。

3喷枪扇面控制孔数值模拟

扇面控制孔位于喷枪风帽两端的喇叭嘴上,通常情况下,喷枪的扇面控制孔对称分布,主要作用是用来控制喷枪喷涂的图样形状。通过改变喷幅调节旋钮的位置,从而改变扇面控制孔的气压和流量,最终改变喷枪喷涂的形状。喷枪扇面控制孔数值模拟中的运动公式与上述喷枪主雾化孔数值模拟中的运动公式相同。

3.1其他参数设定

在扇面控制孔的数值模拟中,不考虑主雾化孔带来的影响和碰壁情况。网格设置与上述一致,其中入口1设置为速度入口,取值为0:入口2设置为压力入口,取值为0:入口3也设置为压力入口,取值为06:出口不变,其他条件均设置为默认参数。

3.2数值模拟结果

扇面控制孔数值模拟的扩散效果和对称性结果与喷枪主雾化孔类似,扇面控制孔为圆形或矩形时扩散效果和对称性较好。

扇面控制孔数值模拟中还涉及喷出粒子的速度问题,通过研究发现,当喷枪距离0～50mm时,粒子的运动速度从开始处于极其不稳定的状态到后面的缓慢平稳,并且在纵截面上出现最大速度的位置在距离喷枪喷嘴15mm处,横截面上出现最大速度的位置在距离喷枪喷嘴31mm处,并且扇形控制孔形状为圆形时的最大速度高于三角形或矩形。因此选用圆形扇面控制孔进行喷涂最为适宜。

4实验论证分析

通过上述数值模拟研究,将优化后的喷枪结构与传统喷枪结构进行对比实验,在保证其他条件不变的情况下,用两种不同结构的喷枪进行喷涂,对比喷涂图样是否达到预期效果,并记录统计数据,绘制成如图1所示的曲线图。

图1中的实线为通过数值模拟优化后的喷枪喷涂时图样效果的达标率,虚线为传统喷枪喷涂时图样效果的达标率。从图1可以看出,本文优化后的喷枪达标率基本维持在80%～95%,而传统的喷枪图样效果达标率均低于70%,且随着喷涂数量的增多,达标率呈明显下降趋势。结果表明,优化后的喷枪结构更适用于工业中对产品的喷涂,且能够大幅度提升图样达标率,减少工业成本的支出。

5结语

本文通过对喷枪结构优化进行数值模拟探究取得了一定的成果,为不同结构的喷枪结构优化提供了一定的参考,但仍存在很多问题需要在后续研究中加以解决:首先可以通过改变其他参数,如喷枪涂料喷嘴结构对喷枪喷涂的图样进行探究:其次,本文在进行数值模拟时没有将多个参数进行交叉讨论,在今后的研究中可以通过改变多个参数对喷枪结构进行优化研究。