基于數(shù)值模擬的噴槍結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

引言

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

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、進氣口接頭、涂料接頭、擴散調(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、防護罩、空氣接頭等,其中噴嘴套裝是整個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,因此本文對噴槍結(jié)構(gòu)的優(yōu)化實質(zhì)是對主霧化孔和扇面控制孔進行優(yōu)化。

2噴槍主霧化孔數(shù)值模擬

2.1運動公式

在使用噴槍進行噴涂時,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壓區(qū),從而讓噴射出的涂料產(chǎn)生霧化現(xiàn)象,再通過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,通過對氣體在噴槍涂流場中的運動公式(1）進行計算:

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

在對噴槍主霧化孔進行數(shù)值模擬時,將噴槍扇面控制孔所產(chǎn)生的影響和碰壁情況忽略不計,只計算主霧化孔的運動過程。在網(wǎng)格劃分時,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

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

從噴涂圖樣的對稱性角度分析,當(dāng)主霧化孔為圓形或矩形時,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稱性:而當(dāng)主霧化孔為三角形時,噴槍噴涂的圖樣在縱截面上的對稱性較差,導(dǎo)致圖樣的截面出現(xiàn)不對稱現(xiàn)象。因此,選用圓形或矩形的主霧化孔結(jié)構(gòu)可以對噴槍進行優(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稱分布,主要作用是用來控制噴槍噴涂的圖樣形狀。通過改變噴幅調(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)值模擬中的運動公式與上述噴槍主霧化孔數(shù)值模擬中的運動公式相同。

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

扇面控制孔數(shù)值模擬中還涉及噴出粒子的速度問題,通過研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)噴槍距離0～50mm時,粒子的運動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行噴涂最為適宜。

4實驗論證分析

通過上述數(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)進行對比實驗,在保證其他條件不變的情況下,用兩種不同結(jié)構(gòu)的噴槍進行噴涂,對比噴涂圖樣是否達到預(yù)期效果,并記錄統(tǒng)計數(shù)據(jù),繪制成如圖1所示的曲線圖。

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

5結(jié)語

本文通過對噴槍結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行數(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,但仍存在很多問題需要在后續(xù)研究中加以解決:首先可以通過改變其他參數(shù),如噴槍涂料噴嘴結(jié)構(gòu)對噴槍噴涂的圖樣進行探究:其次,本文在進行數(shù)值模擬時沒有將多個參數(shù)進行交叉討論,在今后的研究中可以通過改變多個參數(shù)對噴槍結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化研究。