致密網(wǎng)滲透率對噴槍內(nèi)流體流動的影響

1、致密網(wǎng)滲透率對噴槍內(nèi)流體流動的影響    摘 要：用于改變塑料零件表面張力的火焰處理噴槍是火焰處理工藝中最關(guān)鍵的部件。設(shè)計成功的火焰處理噴槍能夠組織有穩(wěn)定外形和剛度的火焰。然而，得到高質(zhì)量火焰的前提是燃氣噴射的均勻。為了達到此效果，本文作者在噴槍腔體內(nèi)設(shè)置了一張金屬致密金屬網(wǎng)用以調(diào)整腔體內(nèi)燃氣壓力。本文利用Fluent 軟件，對不同致密網(wǎng)的滲透率下的腔體內(nèi)燃氣流動進行了數(shù)值模擬，并通過分析其結(jié)果得到了滲透率對燃氣流動的影響規(guī)律，為火焰處理噴槍的設(shè)計提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：火焰處理，噴槍，金屬致密網(wǎng)，滲透率，流動中圖分類號：TP211+.31.引言隨著我國

2、汽車塑料化進程的不斷推進，各種塑料材料的表面改性工藝技術(shù)也隨之快速發(fā)展。火焰處理作為一種新型、高效、環(huán)保的塑料表面改性技術(shù)正被國內(nèi)越來越多的汽車零部件制造企業(yè)所應(yīng)用1。而火焰處理噴槍則是火焰處理系統(tǒng)中最重要的部件，直接影響火焰處理工藝質(zhì)量的好壞?；鹧嫣幚韲姌尩母Ｒ姷娜細馊紵飨啾扔幸韵聨讉€特點：1氣體燃料與空氣在進入噴槍的腔體之前就已經(jīng)預(yù)先混合，即可認為混合時間為零，所以燃燒的總體時間實際上僅取決于化學(xué)反應(yīng)時間。2燃料完全燃燒所需的空氣消耗系數(shù)a 很小，燃氣的燃盡程度很高，其化學(xué)不完全燃燒熱損失接近于零。3火焰較短，火焰高溫區(qū)集中；在熾熱的背景下，幾乎看不到火焰，故也稱為無焰燃燒2。4燃燒速

3、度很高，燃料中的碳氫化合物來不及發(fā)生熱分解，故火焰中游離的碳顆粒較少，火焰黑度小，火焰的熱輻射能力較差。5燃燒溫度高，熱容積強度高。良好的專用火焰噴槍需要滿足以下兩個條件：1點火可靠，在規(guī)定的熱負荷條件下可以保證燃料的正常燃燒及燃燒過程的穩(wěn)定。不穩(wěn)定的燃燒必然導(dǎo)致不穩(wěn)定火焰，反映到零件表面就是表面張力的不均勻。2能夠組織火焰，使火焰具有足夠的長度、剛度和外形，以滿足塑料件火焰處理工藝要求。足夠的火焰長度可以實現(xiàn)噴槍的遠距離加工，留給機械手翻轉(zhuǎn)、移動的動作空間；火焰的剛度（溫度）則直接決定了零件處理質(zhì)量的好還，未達到或者超過預(yù)期溫度都會造成報廢品的產(chǎn)生；而火焰外形是工藝工程師在設(shè)定機械手移動軌跡

4、的基準(zhǔn)，規(guī)則的火焰保證了噴槍在按照預(yù)定軌跡移動過程中，火焰能百分百覆蓋零件上待處理區(qū)域，不至于發(fā)生欠燒或者過燒。出于以上兩點的考慮，這就要求火焰處理噴槍噴射出來的燃氣的速度是均勻的，噴射的- 2 -方向也是同一的（與噴槍的噴氣面垂直）。本文中為了達到以上描述的燃氣噴出效果，在噴槍的結(jié)構(gòu)設(shè)計中添加了金屬致密網(wǎng)。本文將利用Fluent 軟件來研究金屬致密網(wǎng)的關(guān)鍵參數(shù)滲透率對噴槍腔體內(nèi)的燃氣流動的影響。2.噴槍的工作機理本文設(shè)計的噴槍主要是靠高溫火焰對儀表板所有需處理外表面進行等效炙烤，為了組織出具有一定長度、剛度和形狀的火焰，其核心控制點是保證出氣面上噴射出的燃氣速度均勻、方向統(tǒng)一且混合完全。為實

5、現(xiàn)這些目標(biāo)，噴槍設(shè)計為預(yù)混多孔式。這種噴槍裝置簡單、燃氣混合均勻、燃燒速度高，在a =1.031.05 時就可保證完全燃燒，此外它不需要風(fēng)機，能耗低，管路簡單，控制系統(tǒng)也簡單。壓縮空氣（出口壓力為5bar）與瓶裝高純甲烷氣體（出口壓力減壓到0.8bar）在燃氣配比控制柜內(nèi)初步配比好后，經(jīng)高壓射入到噴槍腔體內(nèi)，并在腔體內(nèi)形成紊流，使得燃氣與空氣進一步混合。為了破壞射流在腔體內(nèi)規(guī)則流動，本文在腔體內(nèi)設(shè)置金屬致密網(wǎng)，以打亂燃氣流動方向，同時調(diào)控腔體內(nèi)各部位壓力。經(jīng)過調(diào)壓和調(diào)向后的混合燃氣從致密網(wǎng)滲透出來后，將進入一定厚度的平行管多孔金屬板，在微小直徑的平行管內(nèi)進行第三次混合。具有一定長度的平行管還可

6、調(diào)整燃氣噴出方向，使其與噴槍出氣面垂直。噴槍可以通過調(diào)整致密網(wǎng)滲透率、平行管多孔金屬板厚度、開孔率等參數(shù)調(diào)整燃氣氣流的流動狀態(tài)。本文將著重研究致密網(wǎng)滲透率對燃氣流動的影響。3.噴槍設(shè)計本課題設(shè)計的噴槍主要由氣管接頭、點火電極、噴槍殼體、平行管多孔式金屬板（由波紋金屬彈片構(gòu)成）、金屬致密網(wǎng)及端蓋構(gòu)成。圖1 就是所設(shè)計的噴槍外觀圖。圖2 是噴槍結(jié)構(gòu)的爆炸圖。1.氣管接頭 2.點火電極 3.噴槍殼體 4.平行管多孔金屬板 5.端蓋圖1 火焰處理噴槍外觀圖12345- 3 -1.氣管接頭 2.點火電極 3.噴槍殼體 4.平行管多孔金屬板 5.端蓋 6.金屬致密網(wǎng)圖2 火焰處理噴槍結(jié)構(gòu)爆炸圖噴槍殼體是噴

7、槍主要部分，所有的元件都是在殼體上完成安裝與配合。出于節(jié)能和組織火焰形狀兩方面考慮，殼體的出氣面設(shè)計為矩形大平面，這樣在燃燒的時候能形成均勻的灼熱面，提高對零件的輻射傳熱效果，能比普通燃燒器節(jié)約12%到30%的能源。本文中的金屬致密網(wǎng)是彎折為圓筒狀放置在腔體內(nèi)，燃氣從進氣口進入到腔體后就直接進入到了有金屬致密網(wǎng)所圍成的封閉空間內(nèi)。燃氣要想從平行管多孔金屬板噴射出去就必須從致密網(wǎng)的上部穿透。因此起到了對燃氣過濾、調(diào)壓的作用。燃氣在整個流動過程中實現(xiàn)了三次的混合，如圖3 所示。圖3 噴槍內(nèi)預(yù)混燃氣流向及混合情況示意圖又圖3 可以看出，由金屬網(wǎng)進氣氣流的剪切作用，使得整個腔體內(nèi)的高壓預(yù)混氣體發(fā)生不規(guī)

8、則的紊流，然后從致密網(wǎng)上方以較慢的速度滲透出去，實現(xiàn)均勻腔體內(nèi)壓力的功能，進而使得進入平行管多孔金屬板的氣流流速均勻，為得到穩(wěn)定、均勻的火焰提供可能性。圖4是金屬致密網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖。1246351 次混合3 次混合2 次混合金屬致密網(wǎng)- 4 -圖4 金屬致密網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖4.數(shù)值模擬4.1 模型建立及網(wǎng)格劃分本文利用三維建模軟件Pro/ENGINEER 來建立噴槍的流場模型，生成模型*.stp 格式的文件，導(dǎo)入到GAMBIT 中進行網(wǎng)格劃分。圖5 是合理簡化后噴槍腔體內(nèi)流域模型。圖5 合理簡化后噴槍腔體內(nèi)流場模型噴槍腔體內(nèi)流場是由腔體區(qū)域、致密金屬網(wǎng)區(qū)域和平行管多空金屬板區(qū)域組成。由于大多數(shù)多孔

9、介質(zhì)的流場模型孔隙繁多且極不規(guī)則，使得三維建模工作難度太大，普通個人電腦無法處理與計算，因此在對多孔介質(zhì)區(qū)域流場數(shù)值模擬的時候往往用其外觀模型代替。而且Fluent 軟件中對多孔介質(zhì)也是從宏觀上控制與離散的，在求解過程中只需要對多孔介質(zhì)區(qū)域特別定義并進行相關(guān)參數(shù)設(shè)置即可。所以在本文中，致密金屬網(wǎng)區(qū)域和平行管多孔金屬板區(qū)域被簡化為等價的長方體（如圖5 所示）。對所要計算的區(qū)域進行網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬計算中較重要的一環(huán)，網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞將直接影響到模擬的可靠性、模擬結(jié)果的精度以及模擬過程中的收斂性和穩(wěn)定性。本文采用Fluent 軟件包自帶的網(wǎng)格劃分軟件GAMBIT 對噴槍腔體內(nèi)流場的三維實體模型進

10、行網(wǎng)格劃分。由于本文中簡化后的噴槍腔體三維實體外形并不復(fù)雜，所以全部采用結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格對它進進氣口平行管多孔金屬版出氣口噴槍腔體致密金屬網(wǎng)- 5 -行網(wǎng)格劃分。劃分好的網(wǎng)格如圖6 所示，網(wǎng)格總數(shù)為91730。圖6 噴槍腔體內(nèi)流場網(wǎng)格圖4.2 物理模型的選擇預(yù)混燃氣在較大的壓力下以較大的速度射入到噴槍腔體內(nèi)，因此燃氣的流動十分復(fù)雜，為了使整個過程的湍流運動與實際過程盡可能的吻合，數(shù)值模擬計算中計算模型的選取顯得至關(guān)重要。本文中的計算選擇穩(wěn)態(tài)模式，在數(shù)值模型中認為甲烷氣與空氣的預(yù)混氣體的流動狀態(tài)是可壓縮的粘性湍流流動，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)的k -e 高Reynolds 模型；氣體密度根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程計

11、算；對于速度與壓力的耦合問題，由于SIMPLE 算法及其改型SIMPISO主要用于計算定常不可壓縮或壓縮性效應(yīng)不顯著的流動，因此本論文采用SIMPLE 算法。此外，對于計算模型本文所作的假設(shè)如下：1噴槍腔體的壁面絕熱，無外界熱損失；2重力的影響忽略不計，忽略壓力功和動能；3燃氣視為不可壓縮理想氣體；4平行管多孔金屬板視為體積平均介質(zhì)，均勻分散在指定流場區(qū)域中，多孔介質(zhì)視為一種均勻單向連通結(jié)構(gòu)，流體僅在平行管軸向方向可滲透，徑向方向不可滲透，且每個單元都是均一的。本文的流體為甲烷與空氣的混合氣體，空燃比為A/ F = 18.81。4.3 邊界條件的設(shè)置入口邊界條件定義為混合燃氣入口，命名為Inl

12、et1。入口壓力為5bar。設(shè)定入口處的湍流參數(shù)Turbulent Intensity=10%，Hydraulic Diameter=0.02m。進氣溫度為300K。壓力出口邊界選取預(yù)混氣體的出氣面。由于預(yù)混氣體從噴槍腔體內(nèi)出來后，消散在空氣中，故設(shè)置出口壓力為一個大氣壓。因為為冷態(tài)模擬，預(yù)混燃氣并未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)與燃燒，- 6 -因此溫度不變，仍為300K。固體壁面設(shè)為絕熱壁面，即沒有熱通量和質(zhì)量通量通過。采用無質(zhì)量滲透和無速度滑移條件，即假定相對于壁面的氣流切向分速度和法向分速度為零。對于金屬致密網(wǎng)，由于其厚度非常小，故將其設(shè)置為多孔跳躍模型（Porous Jump）。設(shè)定該多孔跳躍模型的滲

13、透率3（Face Permeability）分別為a = 0.1，a = 0.01 和a = 0.001，比較三個參數(shù)下腔體內(nèi)流體流動的狀態(tài)。設(shè)定多孔介質(zhì)跳躍模型的厚度為1mm。壓強躍升系數(shù)保持默認值不變。5.求解結(jié)果分析對收斂條件進行合適的設(shè)置之后，對模型求解。當(dāng)?shù)?5 步時，通過殘差曲線可以看出已較好地達到收斂標(biāo)準(zhǔn)。圖7 是殘差曲線圖。圖7 殘差曲線圖8 是當(dāng)多孔跳躍面得滲透率a = 0.1 時，在X=0 剖面的速度云圖。圖8 a = 0.1 時X=0 剖面速度云圖通過觀察可知，腔體內(nèi)不同部位的燃氣速度跳動過大，其中最大的入口速度與出氣面上最小的出氣速度相差到兩個數(shù)量級。此外，在腔體的

14、中心對稱面上，燃氣流動路線明顯，主        - 7 -要從腔體的遠離進氣口部位噴出，不符合出氣面燃氣均勻流出的要求。其主要原因是，致密金屬網(wǎng)對高速氣流的阻流作用不夠，讓燃氣較輕松的從出氣面流出。圖9 是a = 0.01 時X=0剖面的速度云圖。圖9 a = 0.01 時X=0 剖面速度云圖從圖9 可以看出，將致密網(wǎng)的滲透率減小一個數(shù)量級以后，燃氣進口速度大幅下降，說明燃氣輸入壓力與腔體內(nèi)氣壓的壓力差減小，噴槍的保壓、調(diào)壓效果變好。但是在氣流進口的上端出現(xiàn)了一定程度的回流，進而影響燃氣在出氣面靠近進氣口端的流出

15、?？蓢L試進一步減小多孔跳躍模型的滲透率。圖10 是a = 0.001 時X=0 剖面的速度云圖。圖10 a = 0.001 時X=0 剖面的速度云圖通過觀察發(fā)現(xiàn)，將a 進一步調(diào)小一個數(shù)量級之后，進氣口處進氣氣流上端的回流區(qū)域基本上消失了，整個腔體內(nèi)靠近出氣面的部分實現(xiàn)了氣流流速數(shù)值上的均勻，與預(yù)期的效果相吻合。下面通過速度矢量圖來研究腔體內(nèi)氣流的方向。- 8 -圖11 a = 0.1 時X=0 剖面速度矢量圖圖12 a = 0.1 時X=0 剖面局部速度矢量圖通過圖11 和12 可以得知，a = 0.1 的時候，噴槍出氣面靠進氣口一端將噴槍外部的空氣吸入，只有遠離進氣口的一端才有燃氣噴出。這是

16、由于進氣口氣流速度過大，造成氣流上方出現(xiàn)小于正常大氣壓的低壓，使得氣流自動從高壓區(qū)域往低壓區(qū)域流動。當(dāng)a = 0.001 時，這個問題就不存在了。圖13 是a = 0.001 時X=0 剖面速度矢量圖。圖13 a = 0.001 時X=0 剖面速度矢量圖從圖13 可以看出，從出氣面噴出的燃氣不僅速度上較平均，而且方向也統(tǒng)一，均與出氣面相垂直。- 9 -圖14 a = 0.1 時出氣面速度云圖圖15 a = 0.01 時出氣面速度云圖圖16 a = 0.001 時出氣面速度云圖圖14，15，16 分別是多孔跳躍模型取不同滲透率時，噴槍出氣面的速度云圖。容易發(fā)現(xiàn)，隨著滲透率的逐漸減小，出氣面各個點

17、的燃氣速度越來越均勻，且速度大小也從超過100m/s 降到了56m/s 左右，為形成穩(wěn)定的火焰提供了可能。圖17 為噴槍在a = 0.1 時，x=0 剖面上壓力云圖，壓力梯度變化較大，大致上由左向右逐漸遞增。最大壓力為96000Pa，最低壓力為52200Pa。由于致密金屬網(wǎng)的緣故，氣壓在設(shè)置金屬網(wǎng)的外置出現(xiàn)明顯的分界限，網(wǎng)下方的氣壓較上方的大，說明致密網(wǎng)起到了降壓作用，與實際情況相符。但是平行管多孔金屬板區(qū)域的壓力仍然不夠均勻，需要進一步調(diào)整。- 10 -圖17 a = 0.1 時x=0 剖面上壓力云圖圖18 為噴槍在a = 0.01 時，x=0 剖面上壓力云圖。在減小了滲透率以后，以金屬網(wǎng)為

18、界，腔體內(nèi)各部分區(qū)域壓力分布更加均勻。致密網(wǎng)上方區(qū)域的壓力都控制在了415017500Pa 之間，仍然存在相對負壓，還要繼續(xù)調(diào)整。圖18 a = 0.01 時x=0 剖面上壓力云圖圖19 為噴槍在a = 0.001 時，x=0 剖面上的壓力云圖。此時我們發(fā)現(xiàn)，由于致密金屬網(wǎng)的過濾作用，多孔金屬板區(qū)域的壓力分布已基本無變化，這也說明了經(jīng)過濾后的燃氣速度分布更趨于均勻；金屬網(wǎng)區(qū)域形成典型的壓力跳躍現(xiàn)象。圖19 在a = 0.001 時x=0 剖面上壓力云圖6.結(jié)論由以上分析可得，在同等壓力的燃氣入口情況下，噴槍腔體內(nèi)不同滲透率的金屬致密網(wǎng)對墻體內(nèi)氣流流動會造成很大的影響。致密網(wǎng)擁有較大的滲透率的情

19、況下，即其對流體的阻礙作用相對較小的情況下，高壓氣流的流向、流速受金屬致密網(wǎng)的剪切影響不大，對流動狀- 11 -態(tài)起主導(dǎo)作用的仍然是進氣氣流的速度以及噴槍本身的結(jié)構(gòu)。隨著滲透率的減小，致密網(wǎng)對整個腔體內(nèi)氣壓的調(diào)控作用越發(fā)明顯，隨著壓力的調(diào)節(jié)均勻，氣流的流速也隨之下降，在滲透率的數(shù)量級低至3 的時候整個出氣面上各個部位的噴氣狀態(tài)已相差無幾，這為噴槍點火后得到穩(wěn)定、齊整的燃燒火焰提供了可能性。參考文獻1 周達飛，吳張永，王婷蘭汽車用塑料：塑料在汽車中的應(yīng)用M北京：化學(xué)工業(yè)出版社材料科學(xué)與工程出版中心，2003 年4 月第4 版2 侯凌云，侯曉春噴嘴技術(shù)手冊M北京：中國石化出版社，2007 年1 月

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