V形面喷涂成膜数值模拟_陈诗明.pdf

第 52 卷 第 6 期 表面技术 2023 年 6 月 SURFACE TECHNOLOGY 285 收稿日期：20220419；修订日期：20220909 Received：2022-04-19；Revised：2022-09-09 基金项目：国家科学自然基金（51475469）；重庆市教委科学技术研究项目（KJZD-M201912901）；国民核生化灾害防护国家重点实验室科研基金（SKLNBC2020-09）Fund：The National Natural Science Foundation of China(51475469);The Science and Technology Research Program of Chongqing Municipal Education Commission(KJZD-M201912901);The Fund for State Key Laboratory of NBC Protection for Civilian(SKLNBC2020-09)作者简介：陈诗明（1991），男，博士研究生。Biography：CHEN Shi-ming(1991-),Male,Doctoral candidate.通讯作者：陈雁（1972），男，博士。Corresponding author：CHEN Yan(1972-),Male,Doctor.引文格式：陈诗明,陈雁,陈文卓,等.V 形面喷涂成膜数值模拟J.表面技术,2023,52(6):285-295.CHEN Shi-ming,CHEN Yan,CHEN Wen-zhuo,et al.Numerical Simulation of Film Formation on V-shaped Surface by SprayingJ.Surface Technology,2023,52(6):285-295.V 形面喷涂成膜数值模拟 陈诗明1，陈雁1，陈文卓2，姜俊泽1，周爽1（1.中国人民解放军陆军勤务学院 油料系，重庆 401331；2.国民核生化灾害防护国家重点实验室，北京 102205）摘要：目的目的 建立 V 形面喷涂成膜仿真模型，深入研究 V 形面喷涂成膜特性，为优化喷涂喷枪轨迹及获取理想涂膜提供理论支撑。方法方法 采用欧拉欧拉方法建立包含喷雾流场模型和喷雾沉积模型的 V 形面喷涂成膜模型，结合动态自适应加密技术和 SIMPLE 算法，求解分析喷雾流场规律和涂膜厚度分布特性及形成机理，开展喷涂实验验证所建模型及成膜特性的正确性。结果结果 随着 Z 轴距离的增大，喷雾流场横向雾形由椭圆形变为长条状，纵向雾形在长轴方向上近壁面时与平面喷涂差别较大。相较平面喷涂，外壁喷涂喷雾覆盖范围广，内壁喷涂结果相反，且喷雾横向扩展程度与 Z 轴坐标值均呈线性关系。V 形面内外壁喷涂涂膜均呈椭圆形，且膜厚均沿径向递减。外壁喷涂涂膜光环宽度最大，涂膜厚度值普遍低于平面喷涂；内壁喷涂涂膜光环宽度最窄，短轴方向涂膜厚度值普遍高于平面喷涂。随着V 形面角度变大，涂膜中心厚度不断增加。涂膜厚度值在短轴方向均呈单峰分布，而在长轴方向上，外壁喷涂涂膜厚度均呈双峰分布，内壁喷涂涂膜厚度分布随角度变化有差异。结论结论 建立的喷涂成膜模型用于 V 形面喷涂成膜过程仿真是有效的，V 形面较大地改变了喷涂过程中的喷雾流场特性和涂膜厚度分布特性。关键词：V 形面；成膜特性；喷雾流场；计算流体力学仿真；欧拉欧拉法 中图分类号：TG174.4 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)06-0285-11 DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.06.025 Numerical Simulation of Film Formation on V-shaped Surface by Spraying CHEN Shi-ming1,CHEN Yan1,CHEN Wen-zhuo2,JIANG Jun-ze1,ZHOU Shuang1(1.Department of Petroleum,Army Logistics University,Peoples Liberation Army of China,Chongqing 401331,China;2.State Key Laboratory of NBC Protection for Civilian,Beijing 102205,China)ABSTRACT:The work aims to establish a computational fluid dynamic(CFD)simulation model for in-depth research of 286 表 面 技 术 2023 年 6 月 film-forming characteristics on V-shaped surface by spraying,in order to provide theoretical support for optimizing the trajectory of the spray gun and obtaining an ideal film.The mathematical model of film formation was established by the Euler-Euler method to solve the over-simplification problem of the empirical model and the limitations of the Euler-Lagrange method,and the unstructured grids and adaptive-mesh refinement were adopted to discretize the computational domain.The model established was solved with the SIMPLE algorithm of the phase solver based on pressure and spray experiments were conducted to verify the correctness of the model.By analyzing the results of the numerical simulations,the spray flow field characteristics and film thickness distribution law of spraying the V-shaped surface were obtained.The effect of the V shape on the spray flow field in the long axis direction was greater than that on the spray flow field in the short axis direction.Compared with the spray flow field of the plane spraying,the horizontal shape of the spraying flow field of the V-shaped surface was almost the same except that of the inner wall surface spraying was significantly different when the Z-axis distance was 140 mm.With the increase of the Z-coordinate value,the horizontal spraying shape changed from the ellipse to the long strip.The longitudinal shape of the spray flow field was quite different when it was close to the wall in the long-axis direction.Their tail shapes in the order of plane spraying,outer wall spraying and inner wall spraying were in a straight line,an inverted V shape,and a V shape,respectively.The spraying coverage of the outer wall was wider,and that of the inner wall was narrower.Besides,the horizontal expansion degree of the spraying had a linear relationship with the value of coordinate Z.The film shapes on the inner and outer walls of the V-shaped surface were all elliptical,and their thickness decreased along the radial direction.The film on the outer wall had the larger halo width than that on the plane,yet with a generally lower thickness.The film on the inner wall was just the opposite.As the angle of the V-shaped surface became larger,the thickness of the film center increased continuously.The thickness distribution of the film in the short axis direction was single-peak,while the thickness distribution of the film on the outer wall in the long axis direction was double-peak,and that of film on the inner wall varied with the angle.It is concluded that the film-forming model on sprayed V-shaped surface and film-forming characteristics obtained are correct,and the V-shaped surface greatly changes the characteristics of the spray flow field and the film during the air spraying process.Film-forming numerical simulation on sprayed V-shaped surface is of great theoretical and practical significance for revealing the film-forming characteristics of spraying complex free-form surfaces with large curvature,optimizing the spray gun trajectory and improving the film quality,etc.KEY WORDS:V-shaped surface;film-forming characteristics;spray flow field;CFD;Euler-Euler method 提高机器人喷涂复杂曲面的质量一直是研究的热点和难点1-5。V 形面作为典型的大曲率复杂曲面，广泛存在于各种设施设备中，具有结构连接的突变性和作业空间的限制性等特点，严重影响机器人喷涂喷枪轨迹规划和涂膜质量6-7。V 形面喷涂成膜建模及特性研究对揭示大曲率复杂自由曲面喷涂成膜机理和规律、优化喷枪轨迹和提高涂层质量等方面具有重要的理论意义和实用价值。目前，针对 V 形面喷涂成膜特性研究都基于经验模型8-12。首先，根据平面喷涂实验，拟合得到涂层生长率经验公式；然后，采用微分几何的面积放大定理，得到 V 形面上涂层生长率经验公式。曾勇等13-14基于此方法分析研究了喷射角度和 V 形面夹角对涂膜厚度分布的影响规律，并根据研究的结论优化了机器人喷涂 V 形面的喷枪轨迹。然而，这种方法假定喷雾的流线为直线，没有考虑 V 形面对流场特性的改变，未考虑被喷涂形面对喷涂成膜过程的影响，没有从喷涂的本质机理上分析喷涂过程和成膜特性，用于 V 形面喷涂成膜特性研究将存在较大误差。近年来，随着 CFD 理论的日趋成熟和配套平台的不断完善15，研究者们探讨采用计算流体动力学（CFD）建模来研究喷涂成膜特性16-23。针对空气喷涂涂料成膜中的气液两相流过程仿真，目前利用的CFD 建模方法主要有：欧拉拉格朗日法17-23，欧拉欧拉法24-28。在建模过程中，欧拉拉格朗日法通过单独求解喷雾流场中的气液两相流运动，可以获取单个液滴的运动轨迹、液相和气相的速度及压力等信息24-26。Foglitai 等17、Ye 等18和 Wang 等19采用欧拉拉格朗日法对空气喷涂气液两相流场中的喷雾速度、压力和粒径等分布特征以及喷雾成膜厚度分布特征进行了探究。基于该方法所建立的模型需要经实验测量或仿真获取涂料雾化流场参数来作为初始条件，导致模拟结果精度不高，同时利用欧拉拉格朗日法开展喷涂成膜研究存在难以考虑气液两相间耦合作用和描述喷雾流场整体态势等问题；而欧拉欧拉法将涂料液滴视作拟流体，认为液滴与气体流体是空间共存，且互相渗透的连续介质，这样充分考虑了涂料相的各种湍流输运过程，以及液滴对气体两相间互相作用的影响，保证了喷涂成膜仿真的精确性25,28。另外，欧拉欧拉法的计算量和计算时间等要第 52 卷 第 6 期 陈诗明，等：V 形面喷涂成膜数值模拟 287 求都较欧拉拉格朗日法低。因此，欧拉欧拉法更适用于 V 形面喷涂成膜建模及特性研究。本文采用欧拉欧拉法建立了 V 形面喷涂成膜过程模型，基于有限体积法和 SIMPLE 算法求解模型。对比平面喷涂成膜特性，分析了 V 形面喷涂喷雾流场特性，以及涂膜厚度分布特性，提出喷涂轨迹优化建议，并通过喷涂实验验证了喷涂成膜模型和成膜特性的正确性。1 喷涂成膜模型 1.1 喷雾流场模型 1.1.1 两相控制方程 喷涂过程中环境温度保持不变，可忽略两相流动中的传热现象，仅需保证各项质量守恒和动量守恒，表达式分别为14：qqqq()0t +=u (1)qqqqqTqq()()()ptg +=-+uuuuuf (2)式中：q、q和 u 分别表示 a 相的体积分数、密度（kg/m3）和速度（m/s），q 为 l 或 g 时，分别代表涂料相和空气相；p 表示两相共同作用的压力，N/m2；为动力黏度，Ns/m2；g 表示当地的重力加速度，m/s2；f 表示由表面张力 所产生的源项。根据Brackbill 的 CSF（Continuum Surface Force）模型29可得 f 的具体表达式为：q=f (3)式中：为表面张力，N/m2；为界面曲率，n=（其中 n 为界面单位法向量），m1。1.1.2 湍流模型 Fogliati 等17对多种湍流模型进行对比计算，发现采用 Realizable-模型的仿真结果的喷雾形状与实际观测结果最为吻合。Realizable-模型中湍流动能（m2/s2）和湍流动能耗散率（m2/s3）的输送方程表达式分别为16：()()+jtkjjkjkkkGtxxx+=+-|u (4)t212()()jjjjtxxxCECk+=+|-+u (5)式中：为运动黏度，=/，m2/s；k、C2、C1、为各附加经验系数，=1.0k，=1.2，2=1.9C，1=max 0.43,5C|+，2ijijkEE=；E为经验常数，取值为 9.793；Gk为平均速度梯度产生的湍流动能的产生项。Gk的计算表达式为：tjiikjijGxxx=+|uuu (6)1.2 喷雾沉积模型 取液滴控制体建立由液膜质量和动量守恒方程以及质量源和动量源方程组成的喷雾沉积模型28。液膜控制方程为：LLLL()hht+=?um(7)LLLLLLLLLsLLLL()()332hhth phqh+=-+-+?uu ugu (8)液膜质量源项和动量源项为：LLLLnA=?mu (9)LLL=?qm u (10)式中：L为液膜密度，kg/m3；h为液膜厚度，m；Lu为液膜平均速度，m/s；Lp为流场压力，Pa，Ls 为空气与液膜分界面处粘性剪切力，N/m2；Lnu为涂料液滴相的壁面法向速度，m/s。2 V 形面喷涂成膜数值模拟 2.1 计算域设置及网格划分 喷枪空气帽几何模型是以实验用喷枪空气帽为原型建立的简化模型，如图 1 所示，其对应的孔径参数见表 1。根据实验中被喷涂工件的尺寸与仿真计算的需要，被喷涂的平面尺寸为 220 mm230 mm，V 形面的 2 块构成面与平面尺寸相同。建立的三维空气帽模型坐标系如图 2 所示，坐标原点取空气帽底面圆心，该点位于涂料出口孔中心正上方 10 mm 处。V 形面喷涂存在喷雾图形长轴垂直和平行于 V 形面交线 2 图 1 喷枪空气帽几何模型 Fig.1 Geometric model of air cap of spray gun 288 表 面 技 术 2023 年 6 月 表 1 空气帽孔径参数 Tab.1 Aperture parameters used in air cap Parameters Diameter of paint hole Diameter of atomizing air holeOuter diameter of atomizing air holeDiameter of assisting air holeDiameter of small shaping air hole Diameter of large shaping air holeDiameter/mm 1.1 1.6 2.0 0.5 0.6 0.8 种情况。由于 V 形面对长轴（Y 轴）和短轴（X 轴）方向上的喷雾流场特性的影响具有相似性，且长轴方向上尺寸大，更便于流场的观测与分析，因此本文仅分析喷雾图形长轴垂直于 V 形面交线的情况，喷涂方式如图 3 所示。图 2 三维空气帽模型坐标系 Fig.2 Coordinate system of 3D air cap geometry:a)YZ-plane(long axis);b)XZ-plane(short axis)图 3 喷涂方式25 Fig.3 Spraying method25:a)axial static spraying on outer wall;b)axial static spraying on inner wall 喷雾流场计算域采用非结构化网格划分。为保证模拟精度和控制网格总数，针对喷嘴孔口区域、中轴线区域、待喷涂区域等流速梯度变化较大处，结合网格自适应模式进行加密处理；其余流场区域范围较广，且结构相对简单，网格划分较稀疏。整个计算域网格总数为 333 万，最小网格尺寸为 1106 mm，最大网格尺寸为 3 mm，如图 4 所示。2.2 模拟条件和参数设定 本文数值模拟依托商业软件 Fluent 开展。空气喷涂是气液两相混合不渗透过程，属于欧拉欧拉方法中 VOF 模型的应用范围，本文选择 VOF 模型对喷雾流场气液两相界面进行追踪求解。设置空气和涂料分别为第 1 相和第 2 相，对应属性参数：密度（Density）分别为 1.23、1.2103 kg/m3，涂料黏度（Viscosity）为 9.686102 kg/(ms)，表 面 张 力 系 数（Surface Tension Coefficient）为 2.871 94102 N/m。初始条件及边界条件设置：涂料出口孔的类型（Type）设为质量入口（Mass-Flow Inlet），质量流量（Mass Flow Rate）为 1.32103 kg/s，湍流强度（Turbulent Intensity）值为 5%，水力直径（Hydraulic Diameter）为 1.1 mm；中心雾化孔、辅助雾化孔与侧面控制孔均设为压力入口（Pressure Inlet），压力（Gauge Total Pressure）分别为 121.6、110、121.6 kPa，湍流强度值为 5%，水力直径分别为 0.4、0.6、0.8 mm；喷雾流场的重力加速度为 9.8 m/s2，环境压力为 1 个标准大气压，仿真时间步长为 1104 s，喷涂总时长为 0.5 s。图 4 网格划分 Fig.4 Meshing 第 52 卷 第 6 期 陈诗明，等：V 形面喷涂成膜数值模拟 289 采用有限体积法的全隐式方法对各相的控制方程组进行离散，选择基于压力修正的相耦合求解器SIMPLE 算法求解，仿真结果采用软件 CFD-Post 做后处理。3 结果与分析 3.1 V 形面喷涂喷雾流场 喷雾流场外形主要受喷枪结构、喷涂参数以及被喷形面等因素的影响，主体呈锥状，如图 5 所示。图 5 喷锥 Fig.5 Spray cone 3.1.1 喷雾流场形状 根据截面方向，喷雾流场形状可分为横向雾形和纵向雾形，其中横向雾形反映长短轴方向上喷雾流场的扩展程度。取距离喷嘴出口 20、70、140 mm 的喷锥横截面进行分析，如图 6 所示。由图 6a 可知，随着 Z 轴方向距离增加，喷雾在XY 平面上逐渐扩散，且长轴方向扩散幅度较短轴方向更大。Z 轴距离为 20 mm 时，雾形较为聚拢，整体呈边缘不规则的圆卵形，长短轴扩散幅度比约为 1.5；距离为 70 mm 时，雾形较距离 20 mm 时发散，呈边缘粗糙的橄榄形，长短轴扩散幅度比约为 2.0；距离为 140 mm 时，喷雾扩散程度高，且分布均匀，此时雾形发展成圆角矩形，长短轴扩散幅度比约为 4.5，可见长轴方向上喷雾流场形状较短轴方向上更易受形面影响。由图 6b 可得，在不同 Z 轴距离下，外壁喷涂喷雾流场与平面喷涂喷雾流场的横向雾形几乎相同。随着 Z 轴距离的增大，横向雾形均从椭圆形变为长条 图 6 不同 Z 轴距离的横向雾形 Fig.6 Horizontal spraying shape with different Z-axis distance:a)spraying plane;b)spraying outer wall;c)spraying inner wall 290 表 面 技 术 2023 年 6 月 状。从图 6c 可以看出，内壁喷涂喷雾流场横向雾形在 Z 轴距离 140 mm 时差异较大。喷锥两侧出现大量喷雾，主体雾形缩小，且两端喷雾较分散。分析原因为，内壁喷涂时，Z 轴距离为 140 mm 横截面上的喷雾处于 V 形内部，由于 V 形面内壁的 V 状结构和半封闭空间，相较平面，喷雾运动方向与壁面法向量夹角较大，撞击壁面后沿壁面运动的喷雾更多，大部分未成膜喷雾向底部积聚，所以喷雾流场雾形偏小，且两端喷雾分散，接近底部后两侧也出现雾形光带。喷锥纵截面反映喷雾从喷枪出口到近壁面区域的二维空间分布。平面喷涂和 V 形面喷涂喷雾的速度云图（图 7）展示了平面喷涂和 V 形面喷涂喷雾流场的纵向雾形。由图 7ac 可知，在长轴方向上，平面喷涂与 V形面喷涂远壁面喷雾流场纵向雾形基本相同，但近壁面喷雾流场纵向雾形差别较大：按平面喷涂、外壁喷涂和内壁喷涂顺序，纵向雾形尾部分别呈一字形、倒V 形和 V 形。相较平面喷涂，外壁喷涂喷雾覆盖范围广，内壁喷涂喷雾覆盖范围窄。产生差异的主要原因是，当喷雾扩展至近壁面后，由于被喷涂的形面不同，喷雾会受到不同程度的阻碍甚至阻隔。当被喷形面为平面时，喷雾将与壁面碰撞，并粘附其上；当被喷形面为 V 形面外壁时，由于外壁中间凸起两侧平滑外延，部分喷雾可沿外壁两侧继续扩展，运动过程中受到的阻碍较小，使得喷雾流场覆盖范围较广；当被喷形面为 V 形面内壁时，由于内壁是呈 V 形的半封闭凹面，阻挡了喷雾的扩展，使得喷雾流场未能完全展开。由图 7df 可知，在短轴方向上，各形面喷涂的喷雾流场纵向雾形基本相同，整体呈扇形，说明 V形面喷涂短轴方向上喷雾流场纵向雾形基本不受形面因素影响。3.1.2 喷锥宽度 喷锥宽度是喷雾流场与壁面接触的最远 2 点的直线距离，用于量化壁面上涂料覆盖范围。喷锥宽度可通过横截面上喷雾流场的扩展程度反映。基于上文雾形研究可知，短轴方向上雾形基本不受形面影响，因此仅分析长轴方向上喷雾流场的扩展程度。速度半值宽 Y（U50%）即轴向速度为喷嘴轴线（Z轴）上速度的 1/2 时的 Y 轴坐标值，可表征 Y 轴方向上喷雾流场的扩展程度30。Z 轴坐标值与 Y（U50%）二者的关系如图 8 所示。分析可知，无论是平面喷涂、外壁喷涂还是内壁喷涂，喷雾横向扩展程度 Y（U50%）与 Z 轴坐标值均呈线性关系，表明 V 形面喷涂与平面喷涂相同，喷雾流场纵向雾形的轮廓近似直线。因此，在相同的喷锥夹角和喷涂距离下，可以绘制如图9 所示的喷锥宽度示意图。图 7 平面和 V 形面喷涂喷雾速度云图 Fig.7 Cloud map of velocity of spray flow field on plane and V-shaped surfaces:a)spraying plane in long axis direction;b)spraying outer wall in long axis direction;c)spraying inner wall in long axis direction;d)spraying plane in short axis direction;e)spraying outer wall in short axis direction;f)spraying inner wall in short axis direction 第 52 卷 第 6 期 陈诗明，等：V 形面喷涂成膜数值模拟 291 图 8 喷雾扩展程度与 Z 轴坐标值关系 Fig.8 Relationship between expansion of spray flow field and Z-axis values:a)spraying outer wall;b)spraying inner wall 由图 9 可知，形面变化对 V 形面喷涂喷雾流场覆盖范围影响较大。V 形面内壁喷涂时，因 V 形面内壁中部下凹两侧渐高，相比平面，实际喷涂距离减小，导致喷雾横向扩展不充分，所以内壁喷涂的喷锥宽度要小于平面喷涂；外壁喷涂时，因壁面中间凸起两侧渐低，实际喷涂距离增加，喷雾横向扩展增强，所以外壁喷涂喷锥宽度大于平面喷涂。3.2 V 形面喷涂成膜 静态喷涂平面和 V 形面（角度为 90）的内外壁面，将所得涂膜平铺展开，如图 10 所示，其中图 10a为平面喷涂涂膜形状，图 10b、c 分别为平铺的外壁和内壁喷涂涂膜形状。在后处理中，内壁和外壁喷涂涂膜为 2 个平面平接而成，所以中间有明显的接缝。图 9 平面和 V 形面喷涂喷锥宽度示意图 Fig.9 Width of spray cone of spraying plane and V-shaped surfaces:a)spraying plane;b)spraying inner wall;c)spraying outer wall 图 10 平面和 V 形面喷涂涂膜形状 Fig.10 Film shapes sprayed on plane and V-shaped surfaces:a)spraying plane;b)spraying outer wall;c)spraying inner wall 292 表 面 技 术 2023 年 6 月 由图 10 可知，所有涂膜均呈椭圆形，且膜厚均沿径向递减。外壁喷涂涂膜光环宽度最大，各层颜色均浅于其他涂膜，内壁喷涂涂膜光环宽度最窄，各层颜色最深。说明 V 形面外壁喷涂涂膜的均匀性较平面喷涂涂膜均匀性好，内壁喷涂涂膜均匀性较差。短轴或长轴方向上平面喷涂和 V 形面喷涂涂膜厚度的分布对比如图 11 所示，其中图 11a、b 为外壁喷涂涂膜厚度分布和平面喷涂对比，图 11c、d 为内壁喷涂涂膜厚度分布和平面喷涂对比。由图 11 可知，平面和 V 形面内外壁喷涂涂膜厚度分布基本一致。涂膜外壁喷涂时，涂膜厚度值整体要低于平面喷涂，其中长轴方向更明显，涂膜厚度最大差值可达 10 m。内壁喷涂时，短轴方向涂膜厚度值整体要高于平面喷涂，长轴方向上该特征不明显。这说明 V 形面外壁喷涂涂着率低于平面喷涂，而内壁喷涂短轴方向上要高于平面喷涂。为进一步研究 V 形面角度对涂膜的影响，设置 V形面角度为 45、67.5、90、112.5、135，获取对应的 V 形面静态喷涂膜厚分布，如图 12 所示。由图12 可知，随着 V 形面角度变大，涂膜中心厚度不断增加，两侧膜厚逐渐减小，相比短轴方向，长轴方向上该现象更明显。分析原因是，在相同喷涂距离下，不管是外壁喷涂还是内壁喷涂，V 形面角度的增大使得喷雾覆盖范围不断缩小（如图 13 所示），由于短轴方向上喷雾流场基本不受 V 形面影响，所以出现 V形面喷涂长轴方向上中间涂膜变厚，两侧涂膜变薄的现象。其次，V 形面喷涂涂膜厚度值在短轴方向均呈单峰分布（见图 12a、c），而在长轴方向上外壁喷涂涂膜厚度均呈双峰分布（见图 12b），内壁喷涂涂膜厚度分布随角度变化有差异。内壁喷涂时，当 V 形面角度高于 90时，其长轴方向涂膜厚度呈单峰分布，且中心膜厚值突起；V 形面角度低于 67.5时，长轴方向涂膜厚度呈双峰分布（见图 12d）。同时发现，在 45135，无论是喷涂内壁或者外壁，中间涂膜厚度随 V 形面角度的增大呈现规律性增长。当角度分别由 45、67.5、90、112.5提高到 67.5、90、112.5、135时，涂着率分别增加约 20%、100%、20%、100%。上述 V 形面喷涂成膜特性，为喷涂轨迹规划和参数的优化与调控提供了方向。喷雾图形中心的轨迹为 V 形面交线时，外壁喷涂的喷枪移动速度应降低，内壁喷涂的喷枪移动速度则应增加。V 形面夹角增大 图 11 平面和 V 形面喷涂涂膜厚度分布对比 Fig.11 Comparison of film thickness distribution on plane and V-shaped surfaces:a)spraying outer wall in short axis direction;b)spraying outer wall in long axis direction;c)spraying inner wall in short axis direction;d)spraying inner wall in long axis direction 第 52 卷 第 6 期 陈诗明，等：V 形面喷涂成膜数值模拟 293 图 12 不同角度的 V 形面静态喷涂涂膜厚度 Fig.12 Film thickness by static spraying on V-shaped surfaces at different angles:a)spraying outer wall in short axis direction;b)spraying outer wall in long axis direction;c)spraying inner wall in short axis direction;d)spraying inner wall in long axis direction 图 13 V 形面角度与喷雾覆盖面积的关系 Fig.13 Relationship between V-shaped surface angle and spray coverage:a)spraying outer wall;b)spraying inner wall 时，该喷枪的移动速度也应增加。外壁喷涂时，与交线紧邻的喷涂轨迹的搭接宽度应增大；内壁喷涂时，则应减小。V 形面夹角增大时，该搭接宽度应减小。4 实验验证 为验证文中建立的 V 形面喷涂成膜模型以及成膜特性的正确性，开展平面和 V 形面喷涂成膜实验。选用国标 Q235 碳钢钢板，冲压成所需的角度。实验均在标准喷漆室中进行，喷涂时，保持喷枪位姿与仿真一致，喷涂距离为 180 mm。实验开展条件与数值模拟一致，关键参数在数值模拟中已介绍，此处不再赘述。喷涂完成后静置 3 d，待漆料完全干燥后，使用涂层测厚仪测量涂膜厚度，间隔 1 cm 设置测量点位，取 3 次测量结果的平均值作为该点膜厚。平面和V 形面静态喷涂实验如图 14 所示。将处理过的仿真涂膜厚度数据与实验涂膜厚度数据进行对比，如图 15 所示。实验测量的涂膜中部厚度低于仿真结果，两侧略高于仿真，且涂膜两侧厚度分布不均匀。误差原因主要有 2 个方面：实验得到的湿涂膜在干燥固化形成干涂膜的过程中，由于重力和涂料表面张力的影响，其仍存在一定的微弱运动，导致在对比曲线上中间实验测量结果相较于仿真结果低，而两边略高；实际喷涂过程中，空气帽涂料入口中的喷针位置未处于正中位置，使得喷出的涂料并非均匀分布，继而导致涂膜两侧厚度分布不均匀。平面喷涂和 V 形面喷涂涂膜厚度分布的仿真结果与实验吻合良好，证明本文建立的 V 形面喷涂成膜模型是正确的，通过该模型仿真得到的 V 形面空气喷涂成膜特性是成立的。294 表 面 技 术 2023 年 6 月 图 14 平面和 V 形面静态喷涂实验 Fig.14 Static spraying experiments on plane and V-shaped surfaces:a)spraying plane;b)spraying outer wall;c)spraying inner wall 图 15 平面和 V 形面喷涂涂膜膜厚分布实验和仿真结果对比 Fig.15 Comparison between simulation results and experimental results of film thickness on plane and V-shaped surfaces:a)spraying plane;b)spraying outer wall;c)spraying inner wall 5 结论 本文基于 CFD 理论对 V 形面喷涂成膜过程进行了建模仿真，通过求解模型获取分析了 V 形面喷涂成膜特性，并开展喷涂实验，验证了所建模型及成膜特性的正确性。研究结果表明，V 形面较大地改变了空气喷涂过程中喷雾流场特性和涂膜特性。1）采用欧拉欧拉方法建立了包含喷雾流场模型和喷雾沉积模型的 V 形面喷涂成膜模型。构建了动态自适应加密的非结构网格化计算域，利用相耦合求解器中 SIMPLE 算法求解模型，获取了喷雾流场规律和涂膜厚度分布特性。2）数值模拟结果显示，在短轴方向上，V 形面喷涂纵向和横向喷雾形状与平面喷涂基本相同；在长轴方向上