（机械电子工程专业论文）基于fluent软件的汽车仪表板火焰处理喷枪的研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 随着我国汽车塑料化进程的不断推进，各种塑料材料的表面改性工艺技术也随 之快速发展。火焰处理作为一种新型、高效、环保的塑料表面改性技术正被国内越 来越多的汽车零部件制造企业所应用。喷枪是火焰处理系统中最重要的部件，直接 影响火焰处理工艺质量的好坏。传统的火焰处理喷枪都是由普通燃气喷嘴改装而 成，其在燃气火焰质量、燃烧效率和污染排放等方面都无法满足现代汽车塑料件的 火焰处理工艺要求。研制出新型经济适用的火焰处理喷枪，将会具有十分重要的经 济效益和社会效益。 本文首先对火焰处理工艺的工作机理进行了阐述，然后结合项目来源公司的实 际生产环境，对其关键部件火焰处理喷枪进行了选型和设计，并通过理论分析 和数值计算，对喷枪内部流体流动和燃烧情况进行了较为全面的研究，主要完成了 如下几个方面的工作： 1 通过分析产品材料特性和火焰处理工艺要求，以及常见燃气燃料的燃烧特性， 对喷枪燃料进行了选择。并计算了混合燃气的配比、燃烧特性以及预期火焰的温度 和长度。 2 参考现有燃烧器设计方法与经验，对喷枪的结构进行了设计，并结合产品尺 寸和项目来源公司的生产节拍，确定了喷枪外形及尺寸。 3 结合喷枪流场区域内的湍流特性，建立合适的气体燃料喷射的湍流模型。并 利用f l u e n t 软件对喷枪内流场进行模拟分析。通过对喷枪选取不同的结构参数，分 别进行模拟分析，通过比较模拟结果，分析结构参数对流场的影响，为喷枪的优化 设计提供理论依据。 4 对喷枪火焰进行了模拟分析，得到火焰温度、n o 排放浓度的彩色分布云图。 从模拟效果图的分析结果来看，喷枪的选型和设计是合适的。 关键字：火焰处理，喷枪，数值模拟，f l u e n t a b s tr a c t w i t ht h ep l a s t i cp a r tp r o g r e s so fa u t o i n d u s t r yi no u rc o u n t r y , t h es u r f a c ep r o c e s s e n g i n e e r i n g o fv a r i o u s p l a s t i cp a r t s i s i m p r o v e da s w e l l a san e we f ! f i c i e n t e n v i r o n m e n t - f r i e n d l yp l a s t i cs u r f a c ep r o c e s se n g i n e e r i n g ，f l a m et r e a t i n gi sb e i n gm o r e a n dm o r ew i d e l ya p p l i e di nd o m e s t i ca u t o p a r t sm a n u f a c t u r e r s s p r a yg u ni st h em o s t i m p o r t a n tp a r ti nt h ef l a m et r e a t m e n ts y s t e m ，i td i r e c t l ya f f e c t st h eq u a l i t yo ft h ef l a n l e t r e a t m e n tp r o c e s s t r a d i t i o n a lf l a m es p r a yg u ni sr e m a d ef r o mc o m m o n g a sn o z z l e ，a n d s oi tc a n tm e e tr e q u i r e m e n t so fa u t of l a m et r e a t m e n tp r o c e s sf o rp l a s t i cp a r t si ng a s f l a m eq u a l i t y , c o m b u s t i o ne f f i c i e n c y , p o l l u t i o ne m i s s i o na n ds oo n i ti sv e r yi m p o r t a n t f o re c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t st od e v e l o pan e w t y p eo fe c o n o m i cf l a m es p r a yg u n i nt h i st h e s i s ，t h ea u t h o rs t u d i e st h em e c h a n i s mo ff l a m et r e a t m e n tp r o c e s s t h e n b a s e do na c t u a lp r o d u c t i o ne n v i r o n m e n ti nt h ep r o j e c tc o m p a n y , s e l e c t sa n dd e s i g n si t s k e yc o m p o n e n t _ f l a m es p r a yg u n b ym e a n so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a l c a l c u l a t i o n ，i t si n t e r n a lf l u i df l o wa n dc o m b u s t i o no ft h e s p r a yg u na r es t u d i e d c o m p r e h e n s i v e l ya sf o l l o w s ： 1 b ya n a l y z i n gp r o d u c tm a t e r i a lp r o p e r t i e s ，f l a m et r e a t m e n tp r o c e s sr e q u i r e m e n t s a n d t h eb u r n i n gc h a r a c t e r i s t i c so fc o m m o ng a s - f i r e df u e l ，t h ef u e lo ft h es p r a yg u n i sc h o s e n a n dt h er a t i oo fm i x e dg a s ，c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，t e m p e r a e t u r e sa n dl e n g t ho f thexpected f l a m ea r ec a l c u l a t e d 2 a c c o r d i n gt oe x i s t i n gd e s i g nm e t h o d s a n de x p e r i e n c eo ft h eb u r n e r , t h es t r u c t u r e d e s i g no ft h es p r a yg u ni sa c c o m p l i s h e d w i t ht h ec o m b i n a t i o no fp r o d u c ts i z ea n dt h e p r o d u c t i o nb e a to f t h ep r o j e c tc o m p a n y , i t ss h a p ea n ds i z eo f t h es p r a yg u ni sd e t e r m i n e d 3 a c c o r d i n gt ot h et u r b u l e n tc h a r a c t e r i s t i c si nt h e s p r a yf l o wf i e l d ，as u i t a b l e t u r b u l e n c em o d e lf o rg a sf u e li n j e c t i o ni se s t a b l i s h e d b ym e a n so ff l u e n t t h es i m u l a t i o n o ft h es p r a yf l o wf i e l di sc a r d e do u t 4 t h es i m u l a t i o no fs p r a yg u nf l a m ei sa n a l y s e d ，a n dt h ec o l o rc l o u dd i s t r i b u t i o n so f t h ef l a m et e m p e r a t u r e ，v e l o c i t ya n dp r e s s u r ea r eo b t a i n e d a c c o r d i n gt o s i m u l a t i n g r e s u l t s ，t h es p r a yg u ns e l e c t e da n dd e s i g n e db yt h ea u t h o ri sa p p r o p r i a t ef o ra u t op a r t s i n d u s t r y k e yw o r d s ：f l a m et r e a t m e n t ，s p r a yg u n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，f l u e n t i l 武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论义中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理_ t 大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同下作的同志对木研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) 。： 五盐日期鲨阻 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论义的规定，即：学校有权保 留并向困家有关部门或机构送交沦文的复印件和电予版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可 以采h j 影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位沦义。同时授权经武汉理丁大 学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信 息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签名，：社导师c 携名，：口期啤衄 注：此表经研究生及导师签名后，请装订在学位论文摘要前页。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 近年来，轻量化、舒适化、节能化成为汽车发展的最新趋势，这一趋势加速了 汽车塑料化的进程。塑料以其重量轻、设计柔性大、制造成本低、性能优异、用途 广泛，从而成为现代汽车工业最佳的选择材料。统计显示，汽车一般部件重量每减 轻1 ，可节油l ；运动部件每减轻1 ，可节油2 【l 】。国外汽车自身质量同过 去相比，己减轻2 0 - 2 6 。预计在未来的1 0 年内，轿车自身的重量还将继续减 轻2 0 。目前发达国家己将汽车用塑料量的多少作为衡量汽车设计和制造水平的一 个重要标志。当前，汽车用塑料件的应用主要包括内饰件、外装件和功能结构件。 其中本课题中涉及的汽车仪表板简称为i p ( i n s t r u m e n tp a n e l ) ，是汽车内饰的重 要组成部分。它是集安全性、功能性、舒适性与装饰性子一身的特殊部件，采用塑 料材料取代金属材料可减轻重量、降低成本、改进设计的柔韧性和零部件的集成度。 随着汽车产业的迅猛发展，顾客对汽车产品的要求越来越高，同时仪表板属于外观 件，因此就要求其具有良好的美观度、出色的表面触感以及高度的耐擦刮性。为达 到这些目的，需要使用特殊的粘结剂在仪表板塑料本体上黏贴柔软的p v c 表皮( 发 泡工艺) ，实现其美观、触感和耐擦挂性等方面的要求【2 】。 目前用于制作仪表板的塑料主要采用a b s 塑料( 丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物) 和p p 塑料( 聚丙烯复合物) ，其中p p 塑料由于其更好的性能、更低的价格正逐渐 成为汽车行业的首选材料【3 j 。然而这两种材料的特性都不满足发泡工艺的要求。为 了便于发泡，塑料表面的张力值要达到生产要求，一般要求达到4 5 达因。而p p 塑 料本身的表面张力值仅为3 l 达因，远远无法达到生产要求。因而需要通过火焰处 理技术，改变其表面张力，使其表面致密度超过4 8 达斟4 1 。然而火焰处理工艺的关 键控制点就是喷射火焰，因此火焰处理喷枪的设计就直接关系到整个工艺效果的好 坏。 高质量的喷枪可以使p p 塑料件表面的附着力得到改善，弥补其表面张力不足 的缺点，使其能在汽车行业得到广泛的应用。因此而仪表板专用火焰处理喷枪的开 发与应用，在汽车的轻量化过程中发挥着重大作用。进而促进了节能与环保。此外， 由于被仪表板包裹的汽车零部件除了有g p s 、各种仪表、空调、d v d 、控制线束等， 还包括汽车零部件中最重要安全件安全气囊，火焰处理的好坏对乘客的驾车安 武汉理丁大学硕十学位论文 全也起着至关重要的作用。在行车过程中，当发生紧急停车或意外时，安全气囊会 立即爆开，并且会随之弹射出大量塑料碎屑，因而其在打开保护乘客的同时，也可 能伤害乘客，尤其是儿童。因此火焰处理后的仪表板经发泡之后，其表面附着的p v c 表皮能在安全气囊爆开的瞬间有效的遮挡碎屑，进而保护乘客的安全。除此之外， 火焰处理还可消除p p 塑料的部分异味，减少其对人体的伤害【5 】。 然而，目前我国汽车零部件行业只有在中高档仪表板中采用塑料零件表面处理 工艺，少部分企业仍然使用电晕处理法等传统表面处理工艺。在使用火焰处理的工 艺过程中，绝大多数企业使用普通单孔锥形直射式喷枪，使用过程中仍然存在着一 定的问题，主要有： 1 喷枪火焰不稳定，火焰作用面形状不规则且火焰锋面不明显； 2 喷枪火焰过短，没有足够高的等温带，易造成零件弯角与凹槽部位的欠烧； 3 喷枪燃烧效率很低，造成燃料的严重浪费； 4 燃烧污染排放指标较高，不满足环保要求； 5 喷枪自身结构设计不合理，维护难度大且易损耗。 1 2 汽车塑料件火焰处理技术的发展现状及工作机理 1 2 1 国内外汽车塑料件表面处理技术的发展现状 为了保持经济可持续发展、降低资源消耗，进入2 l 世纪后我国开始构建循环 经济、建设节约型社会。在此期间大力发展的汽车整车行业以及汽车零部件行业提 出了企业发展的“4 r ”原则( r e d u c e 减量化，r e u s e 再利用，r e c y c l e 再循环， r e m a n u f a c t u r e 再制造) 1 6 1 。其中减量化与再制造是循环经济中最具活力的部分，在 此行业背景下有机塑料被越来越多的利用到汽车的设计之中，汽车塑料化成为汽车 发展的主流方向之一。而塑料件表面处理技术是塑料化领域中一项十分重要的技 术。它可以使原本不满足汽车工程需要的各种新型塑料材料获得符合某些特定要求 的性能。例如可以增强塑料件表面的耐磨、耐腐蚀、隔热、绝缘、防辐射、防异味、 防毒等性能，还可以改善表面硬度、光亮度以及最为广泛应用的表面张力等指标。 在我国，由于汽车工业起步较晚，与之配套的各种工艺技术也发展缓慢。各种 塑料零部件的表面处理技术直到2 1 世纪以后才引进到我国，而在这几年才广泛应 用于我国的汽车整车行业及汽车零部件行业，并取得了显著的社会效应和经济效 应。主流的表面处理技术包括电弧喷涂、等离子喷涂等热喷涂技术以及电晕放电处 理和火焰处理l 。热喷涂技术是指利用某种热源将喷涂材料迅速加热到融化状态或 2 武汉理工犬学硕士学位论文 半融化状态，再经过高速气流使其雾化，加速喷射在经预处理的零件表面上，使得 材料表面得到较强的强化和改性，获得具有某种特性的一种塑料表面处理技术。自 瑞士的mus c h o o p 博士于2 0 世纪前期完成最初的金属溶液喷涂装置以来，热琐涂 技术已有几十年的历史。但是在2 l 世纪以后随着各种新型有机塑辩的不断面世， 热喷涂技术在塑料行业的应用越来越少。这主要是卣于除了表面张力等关键特性咀 外，新型塑料零件的其他表面特性越来越好，不需要再进行针对性的提高；此外， 热喷涂设备原理复杂、空间占用大、价格昂贵，维护和使用成本较高，不符合现代 制造企业追求精益生产的宗旨口】。电晕放电处理技术主要是用来处理厚度小于1 0 毫米的材料，它是利用一套电场( 电晕) 装置使被处理表面空气的粒子离子化，然 后这些空气粒子氧化塑料的表面，达到增大表面张力的目的。但是电晕处理过程中 会产生臭氧和令人厌恶的异味，所以其不被选作处理食品和饮料的包装材料的原 因。出于环保角度的考虑以及对工人工作环境的人性化考虑，电晕放电处理技术在 汽车行业正逐步被淘汰h 。 火焰处理是一种用强氧化焰使塑料表面氧化进而达到提高塑料表面张力的工 艺。由于其高效、节能、污染小、可靠性高等优势，在汽车行业正得到原来越多的 运用，尤其是在车门内门护板、汽车仪表扳、汽车保险杠等含有外观面的汽车零件 上。图1 1 是现代汽车常采用火焰处理技术进行表面张力改善的零部件示意图。 仪表扳 图1 1 运用火焰处理技术进行表面改性的汽车零部件示意图 122 火焰处理技术的原理 火焰处理对不同塑料的处理效果会略有不同，但基本原理一样。在本课题中 武汉理工大学硕士学位论文 将以项目来源公司的仪表板产品材料聚丙烯为例，表述火焰处理技术提高塑料零件 表面张力等表面特性的原理。 聚丙烯( p o l y p r o p y l e n e ，缩写为p p ) 是一种广泛使用的聚合物，它价格低廉，耐腐 蚀，具有高的比强度。它是一种半结晶结构，且其中的晶体通常为球形。通过原子 力显微镜测量，p p 塑料表面粗糙度一般在7 1 5 n m 之间。火焰处理技术利用高温 ( 1 0 0 0 以上) 气体火焰，使空气中的粒子离子化。其中等离子体中的高能粒子( 尤 其是电子) 撞击材料表面引起塑料表面的刻蚀，再加上等离子体处理后产生的自由基 和杂质的迁移造成表面结晶成分的生长，使得材料表面粗糙度变大( 一般大于 4 0 n t o ) ，增加材料表面吸附力。此外，通过介质阻挡放电产生的空气等离子体中含 有的大量的高能粒子( 如电子、中子等) 和活性基团，如n 2 、n + 、o h 一和h 0 2 等。其 中，电子由于质量小在电场中具有很高的速度，对打断高聚物分子链，产生断键具有 重要作用。通常，介质阻挡放电中电子的平均能量大于聚丙烯中的c c 键和c h 键 的键能，因此，高能电子能断开聚丙烯分子键，在表面产生不饱和键。这些不饱和 键除了与等离子体中的活性基团发生各种化学反应外，还会在处理后的一段时间内 吸附空气中的氧和水。这些都会在聚合物表面生成各种含氧的极性亲水基团，如羧 基、羟基等，从而大大增加了材料表面张力【l 0 。 1 2 3 火焰处理工艺的工作方式 火焰处理技术常常与工业机器人相配合使用，在机械手的前臂上安装火焰喷枪。 喷枪喷射的燃气是利用燃气计量系统，按照所选燃气的化学当量比提前配制好的预 混燃气。为了让燃气完全燃烧，辐射更大热值，通常采用富氧燃烧形式选取范围在 1 0 5 1 2 0 之间的过量空气系数。喷射出高速、高温、火焰锥面平整、轮廓清晰的稳 定平面火焰的喷枪，通过多轴机械手，按照特定轨迹，在塑料件表面上方进行移动。 通过机械手不同轴的转换与配合，使火焰喷枪在塑料表面上方2 0 厘米左右的高度 对零件进行火焰覆盖。这个距离可以使火焰的外焰( 火焰前锋) 接触塑料表面，使 零件表面瞬间达到1 5 0 0 摄氏度以上的高温，否则会造成由于加热温度偏低而发生 欠烧。机械手的移动轨迹需要科学计算，在多轴工业机器人控制器内编制程序，通 过多个伺服马达的联动实现机械手的精确移动，必须保证火焰锋面覆盖所有待处理 表面，而且不能有重复的现象。因为反复的烧灼会破坏塑料表面生成的亲水组分， 发生过烧的情况，产生报废。火焰处理完成的产品在一周的时间内能保持改善后表 面特性，随后会退化直至消失。图1 2 是火焰处理技术常用的工作方式示意图。 4 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 2 常见的火焰处理技术工作方式示意图 13 喷枪的类型与研究现状 1 3 1 喷枪的类型 根据燃烧方式的不同，燃气喷枪可以分为顸混燃烧式( 动力燃烧式) 、扩散燃烧 式咀及部分预混式( 大气式) 。 预混式喷枪的燃气是燃料气和空气在燃烧前已经均匀混合好的。可以是二者先 混合后再送入喷枪，也可以是燃料气或空气以高压高速喷射吸入( 也可带预旋) 。 其特点是燃烧速度快容积热负荷大井且火焰短、黑度小，蓝色透明，可为无焰燃 烧。 扩散式喷枪的燃料气( g a s ) 和空气c a 血) 分别送入燃烧区，边混合边燃烧，其特 点是燃烧速度慢，火焰长，为“有焰燃烧”，但是容易出现炭黑，必须加以合理配 风。按照空气的供给方式，扩散式喷枪又分为中心进气式、周向进气旋流式和平行 多枪式。中心进气式的喷枪为管上多排小孔或球面上多孔( 胡椒并式) ，其空气为 旋流。周向进气旋流式的燃气经夹层多孔壁供入，空气为蜗壳式进入。平行多枪式 的燃气经头部带孔的多个管子供入，空气可经流道中旋流片形成旋流( 中间有旋流 稳焰盘) 且燃气与空气进口可以互换。 大气式喷枪的燃料气在燃烧之前，有部分空气与其混合，一次过量空气系数约 为o4 5 , 4 ) 7 5 ，另一部分空气从周围大气中吸入空气过量系数在1 扣1 8 。其特点 武汉理工大学硕士学位论文 是燃料气和空气的比例可调，火焰长度可变。按照头部形状可分为棒形、环形、星 形及管排形喷枪【l l 】。 1 3 2 国内喷枪研制中的问题 目前，火焰处理喷枪在我国汽车塑料或其他塑料行业开始获得越来越广泛应用， 推动了我国喷枪技术的发展，但是在喷枪的研制与使用方面还是存在不少问题，主 要体现在以下几个方面： 1 燃料和空气的供应和控制系统自动化程度不高 目前，国内大多数企业依然采用机械式阀门来对燃气和空气进行配比和调控， 没有有效的监控和检测手段，导致配比精度不高，进而影响预期火焰质量。技术成 熟、使用方便的激波燃气配比系统、m f a 无模型自适应控制系统尚未在我国企业得 到大范围运用。 2 喷枪的能耗过高 国产喷枪的能耗普遍高于国外先进水平，即热效率低于国外水平，这与我国能 源短缺的形式很不相称，同时也增加了产品的加工成本，不利于企业的发展。 3 喷枪的污染排放过高 国产喷枪制造企业在浓淡燃烧、二级或分级燃烧、分割火焰燃烧等技术方面掌 握的好不好，不能有效控制燃烧区温度，导致燃料燃尽后n o x 排放过多。 4 过度依赖国外进口 火焰喷枪尤其是低耗、低污染、高性能火焰喷枪9 0 依靠国外进口。国内尚无 形成大批量生产能力的公司与之抗衡。甚至连与喷枪相配合使用的调控元器件等也 是来自国外。这主要是由于国内喷枪产品的质量、价格以及可靠性等缺乏竞争力。 尽管国内汽车行业及部分塑料行业开始使用火焰喷枪，但是从国内喷枪研制与 使用中存在的问题可以发现，喷枪的内外流场及火焰模拟研究方面的工作尚还处于 空白，国内现有的关于燃烧器的资料中很难找到针对火焰处理喷枪的技术资料。因 此，对喷枪的内外流场及火焰的形成机理以及影响火焰质量的各种因素进行理论研 究很有必要，从而积累相关数据和经验，为火焰处理喷枪的研制提供帮助。 1 3 3 喷枪类型和研究方法的确定 因为课题中设计与研究的火焰喷枪用于汽车仪表板零件，为了保证热负荷，要 求燃料燃烧迅速，完全燃烧程度高。同时要求燃烧火焰有一定的长度，既满足工艺 6 武汉理工大学硕士学位论文 要求，又保证了机械手有一定的活动空间。此外，要求燃气的空气消耗系数较小， 以保证较高的燃烧热容积。所以，在设计火焰喷枪的时候，本课题选择预混式喷枪。 预混式喷枪有以下特点： 1 气体燃料与氧化剂在进入喷枪腔体之前已经预先混合，即可认为tm i x o ， 因此燃烧的总体时间t 实际上仅取决于化学反应时间t 。h e 。 2 燃料完全燃烧所需的空气消耗系数q 很小，一般在1 0 5 1 1 5 之间，而燃尽 程度很高，其化学不完全燃烧热损失接近于零。 3 火焰较短，火焰高温区集中；在炽热的背景下，几乎看不到火焰，故也称为 无焰燃烧。 4 燃烧速度很高，燃料中的碳氢化合物来不及发生热分解，故火焰中游离的碳 颗粒较少，火焰黑度小，火焰的热辐射能力较差。 5 燃烧温度高，热容积强度高。 对于本课题中汽车仪表板零件，性能良好的专用火焰喷枪需要满足以下几个条 件： 1 点火可靠，在规定的热负荷条件下可以保证燃料的正常燃烧及燃烧过程的稳 定。不稳定的燃烧必然导致不稳定火焰，反映到零件表面就是表面张力的不均匀。 2 能够组织火焰，使火焰具有足够的长度、刚度和外形，以满足塑料件火焰处 理工艺要求。足够的火焰长度可以实现喷枪的远距离加工，留给机械手翻转、移动 的动作空间，本课题中要求的火焰长度在2 0 0 m m 3 0 0 m m 之间；火焰的刚度( 温度) 则直接决定了零件处理质量的好还，未达到或者超过预期温度都会造成报废品的产 生。本课题中要求的火焰作用部分的温度在1 0 0 0 1 5 0 0 之间；而火焰外形是工 艺工程师在设定机械手移动轨迹的基准，规则的火焰保证了喷枪在按照预定轨迹移 动过程中，火焰能百分百覆盖零件上待处理区域，不至于发生欠烧或者过烧。 3 保证燃料的完全燃烧，将燃烧效率最大化。 4 结构简单、使用维护方便，坚固耐用并且安全性好。由于预混燃烧较容易发 生回火，需要采取一定的措施来保证喷枪的安全性。 5 燃烧污染排放小。 一般来说，实验研究是现阶段喷枪的主要研究方法。但是随着计算流体力学 ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ) 的迅速发展以及大量c f d 软件的普及，本文试图通过 c f d 软件来对火焰处理喷枪内、外流场进行数值模拟分析，并结合项目来源公司的 实际情况，完成汽车仪表板专用火焰处理喷枪的设计。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本课题研究的主要内容 本课题以计算流体力学基本理论为支撑，以汽车仪表板火焰处理工艺要求为基 础，再结合企业项目具体情况，研究并设计了汽车仪表板火焰处理专用喷枪，研究 内容主要包括： 1 充分了解塑料件火焰处理技术国内外研究现状，选择了适合汽车仪表板火 焰处理用的喷嘴类型； 2 对火焰处理喷枪的热负荷以及燃料气、空气的供给量进行了计算； 3 结合项目来源公司对此道工艺的具体要求及燃气燃烧器基础知识，对喷枪 的结构、尺寸进行了初步设计，并经过合理简化后建立几何模型； 4 选择合适的计算模型对喷枪内流体的流动以及喷枪外火焰予以数值模拟； 5 得出喷枪的关键设计参数( 如多孔介质开孔率、厚度、孔径等) 与出气面 压力平衡、喷气速度以及腔体压力的关系，为喷枪的设计提供参考依据，优化喷枪 结构。 1 5课题来源 本课题来源于佛吉亚( 长春) 汽车部件系统有限公司武汉分公司t 7 3 项目。 8 武汉理t 大学硕十学位论文 第2 章喷枪燃料的设计计算 2 1 常见气体燃料发热量及燃烧特性 气体燃料成分都是由可燃和不可燃的单一气体成分组成的混合气体，所以气体 燃料的组成一般是按照气体的体积成分表示的。气体燃料中，含湿量是随外界的变 化而变化的，所以，常按照气体燃料是否含有水分可分为干燥基和湿基两种准基来 表示【1 1 1 4 3 。 干燥基： c o d + 日；+ c 日7 + 日2 s d + + c o d = 1 0 0 公式( 2 一1 ) 湿基： c o ”+ 日，+ c h + h 2 s ”+ + c o f + h 2 0 ”= 1 0 0 公式( 2 2 ) 气体燃料中所含的水分不高，一般等于该温度下的饱和水蒸气含量。当温度变 化时，气体中的饱和水蒸气量也随之变化，因而气体燃料的湿基成分也将随之发生 变化。为了排除这一影响因素，一般都采用气体燃料的干基成分作为计算的依据， 因此，应首先根据该温度下的饱和水蒸气含量将干燥基成分换算为湿基成分。 气体燃料的干燥基和湿基成分的计算关系如下： x w ：1 0 0 - h 2 0 wx d 1 0 0 公式( 2 - 3 ) 不同温度下1 m 3 干气体所能吸收的水蒸气量，可由饱和蒸汽表查询而得。在标 准状况下水的比容为1 2 4 m 3 k g ，由此可计算出湿气体中的水蒸气分数为： 印”= 而o o 蕊0 1 2 4 9 d 0 x d 所以，气体燃料的干燥基和湿基成分的计算关系可变为： x ”= 二一x d 1 + 0 0 0 1 2 4 9 暑，o 公式( 2 4 ) 公式( 2 - 5 ) 气体燃料的发热量可用气体燃料量热计测定或通过计算得到。气体燃料中各种 组分的干气体低位发热量具体见表2 1 【1 2 】3 2 4 。 表2 1 各种常见可燃气体的低位发热量 气篡名1 分子式 低位发热量 i i 低位发热量 t h 气体名称1分子式卜二t k j k g ( 2 5 。c ) lk j m 31lllk j k g ( 2 5 c ) lk j m 3 9 武汉理工大学硕士学位论文 氢h 21 2 0 0 3 61 0 7 3 2 环戊烷 c 5 h i o 4 7 1 9 45 9 4 6 9 一氧化 c o1 0 1 i i1 2 6 3 6环己烷c 6 h 1 24 5 8 1 28 3 4 0 7 碳 甲烷 c h 45 0 0 4 9 3 5 7 0 9乙烯c 2 h 44 5 3 4 71 1 3 7 1 3 乙烷 c 2 h 64 7 5 2 0 6 3 5 8 l丙烯c 3 h 64 5 0 2 91 3 8 3 7 4 丙烷 c 3 h 84 6 3 8 69 1 0 2 9 丁烯c 4 h 84 4 2 2 5 正丁烷 n - c 4 h 1 04 5 7 7 01 1 8 4 0 7 戊烯c 5 h i o4 3 8 6 5 异丁烷i - c 4 h l o4 5 6 5 3苯 c 6 h 64 0 6 0 41 4 5 9 9 4 正戊烷 c 5 h 1 24 5 3 8 51 4 5 7 7 6 甲苯 c 7 h 8 4 0 9 6 8 正己烷 c 6 h 1 44 5 1 3 4 乙炔 c 2 h 2 5 6 4 5 i 正庚烷c 7 h 1 64 4 9 5 4 硫化氢 h 2 s 2 3 3 6 2 正辛烷c 8 h 1 84 4 8 2 0 已知单一气体的发热量求混合气体发热量的公式为： q n e t ，d = r i q n c t d j 公式( 2 6 ) 式中，r i 为第i 种气体成分的容积率；q n “d i 为第i 种气体成分的低位发热 量。湿基发热量与干燥基发热量之间的换算关系与不同基间的成分换算关系相同， 即 q n e l , w 雨靠d 公式( 2 - 7 ) 而混合气体燃料的特性随其组成成分的不同而异，为了直观地了解气体燃料的 特性，表2 2 i l2 j 3 4 5 列出了我国常用气体燃料的特性，包括物理特性和燃烧特性。化 白数w 定义为w = q 伊s ，其中q 盯为燃气的高位发热量，s 为燃气的相对密度， 即燃气密度与空气密度的比值，s = p 。以。爆炸极限是指在2 0 、常压下，燃气 在空气中发生爆炸时的体积分数。理论燃烧温度和最大燃烧速度是指在空气中的理 论燃烧温度和最大燃烧速度。本文中，工艺需求的燃料燃烧热负荷不高，燃烧器规 模小，故选用发热量较低且资源丰富、方便清洁的高纯甲烷气体。因为其密度很小， 需要压缩后或者液化后才能方便装载与使用。一般情况下把甲烷气压缩到2 0 m p a ， 使其体积减小到原来的1 2 0 0 ，或者常压下降温到一1 6 2 液化，使其体积减小为原 来的1 6 2 5 。 表2 2 我国常用气体燃料的特性 燃气种密度p高位发热量低位发热量华白 爆炸极限l ( k 理论燃 最大燃烧 下) ( 空气中体烧温度速度 类( k g m 3 )q g r ( k j m 3 )q n e t ( k j m 3 )数w 积)( m s ) 焦炉煤 0 4 6 8 61 9 8 2 01 7 6 1 83 2 9 2 9 3 5 8 4 51 9 9 80 8 5 7 气 l o 武汉理工大学硕士学位论文 混合煤 0 6 6 9 51 5 4 1 21 3 8 5 82 1 4 1 54 2 6 6 11 9 8 60 8 4 2 气 发生炉 i 1 6 2 76 0 0 45 7 4 46 3 3 06 7 5 2 1 51 6 0 00 1 9 5 煤气 水煤气 0 7 0 0 51 1 4 5 11 0 3 8 31 5 5 5 8 7 0 4 6 2 2 1 7 5i 4 1 8 干井天 0 7 4 3 54 0 4 0 3 3 6 4 4 2 5 3 2 8 l1 5 0 5 01 9 7 0o 3 8 然气 油用伴 1 0 4 1 5 5 2 8 3 34 8 3 8 3 5 8 8 7 11 4 2 4 21 9 8 6 0 3 8 生气 液化石 2 5 2 7 21 2 3 6 7 8i 1 5 0 6 28 8 4 6 79 7 1 72 0 5 00 4 3 5 油气 2 2 喷枪火焰温度计算 2 2 1 燃料燃烧温度的基本概念 燃料的燃烧温度是指燃料燃烧时放出的能量使燃烧产物( 烟气) 可能达到的温 度。 1 能量平衡 在燃烧室中，燃料与空气带入的能量减去输出的能量，剩余的能量全部贡献给 了烟气升温。如图2 1 所示给出了燃烧设备中的能量平衡关系。 输入能 厂发热量q 。，。 燃料t 物理热( 热焓) h t 空气焓i 。 雾化蒸汽热q 砒 e 烟 里 气 l升 r 温 l r 后 焓 值 i y 输出能量 散热损失q 。 燃料不完全燃烧热损失q b 热分解吸热q 6 对外做功w 图2 1 燃烧热平衡示意图 从图2 1 可以写出燃烧的能量平衡关系式： q 毗盯+ l l t + i k + q w h = i y + ( q 。+ q b + q o ) + w 公式( 2 8 ) 武汉理t 大学硕士学位论文 即 i y = 绋一如= ( 既+ 厅，+ 厶+ q 砌) 一( q + q + 锄+ 形) 公式( 2 9 ) 式中，i y 和i k 分别为烟气和空气的焓，表示l k g 固体和液体燃料或l m 3 气体燃 料生成的烟气量或所需的空气量，在等压条件下从oo c 力n 热到温度t v 或t k 时所需的 热量，单位为k j k 或l 洲m 3 ；h r 为燃料的物理热，h 一击，即等于燃料的比热容与 燃料温度的乘积；q w h 为当液体燃料采用蒸汽雾化时，雾化蒸汽带入的热量， q w h = g w h ( i w h - - 2 4 4 2 ) ，其中g w h 为雾化蒸汽质量，i w h 为雾化蒸汽的焓，2 4 4 2 表示水 在恒压下的汽化潜热( 2 5 ) 为2 4 4 2 k j k g 。 2 实际燃烧温度 在实际燃烧过程中，烟气可能达到的温度称为实际燃烧温度。根据能量平衡关 系，我们可知道烟气的焓值，那么，对应该焓值的烟气温度即为实际燃烧温度t v ， 即 i y = v yc y t y = ( q n e t ，盯+ h + i k + q w h ) 一( q 。+ q b + q 巧+ w ) 公式( 2 1 0 ) 式中，c v 为烟气的比热容。根据上式可计算出实际燃烧温度t v 。 影响实际燃烧温度t v 的因素有：燃烧特性、燃烧设备完善程度( 包括燃烧和传 热的完善程度) 、空气预热程度等。 3 理论燃烧温度 在绝热条件下完全燃烧，不考虑对外做功时，烟气可能达到的最高温度，称为 理论燃烧温度。此时，q 。= 0 ，q b = o ，w = o 。 i y = v yc y h l = q n 吒缸+ h t + i k + q w h q 巧 公式( 2 1 1 ) 理论燃烧温度t l l 是设计时常用的一个重要指标，只与燃料特性和空气预热程度 有关，它表明某种成分的燃料在某一燃烧条件下所能达到的最高温度。 若空气和燃料均不预热，且a = 1 时燃烧，则 ，：= 口c 舻q n e t 盯 公式( 2 一1 2 ) 此时对应的烟气温度t r 称为燃料理论发热温度，仅与燃料性质有关。 2 2 2 影响燃烧温度的因素 影响理论燃烧温度的因素有很多，主要体现在以下几个方面： 1 燃料发热量 由于发热量是烟气升温的主要热源，所以发热量大，理论燃烧温度也高；但另 1 2 武汉理工人学硕士学位论文 一方面，发热量大的燃料，燃料中可燃元素也多，则理论烟气量大，从而使理论燃 烧温度降低。综上所述，理论燃烧温度应与发热量和理论烟气量的比值成正比，即 f l l o co n 订。，口。从表2 3 【1 2 j 3 4 1 可以明显看出，甲烷到戊烷的发热量从3 5 8 3 1k j m 3 提高到1 4 6 1 1 9k j m 3 ，增加了大约4 倍，但发热温度由2 0 4 3 提高到2 1 1 9 ，仅 提高大约4 。由此更明显看出，理论燃烧温度与发热量和理论烟气量的比值相关， 而不是与燃料的发热量直接相关。 表2 3 烷烃的理论发热温度 气体名称 低位发热量q 。( k j m 3 )发热温度( ) p = q 。一n 0 r = q 帆v y o 甲烷c h 。 3 5 8 3 12 0 4 34 2 0 83 3 9 l 乙烷c 2 h 6 6 3 7 6 92 0 9 74 2 0 83 5 1 7 丙烷c 3 h b 9 1 2 7 22 o4 1 8 73 5 3 8 丁烷c 4 h l o 1 1 8 6 7 52 1 1 84 1 7 83 5 5 9 戊烷c 5 h 1 2 1 4 6 1 1 92 1 1 9 4 1 6 6 3 5 5 9 2 空气预热温度 进入燃烧室的空气温度越高，空气的比焓越大，空气带入的焓越多，不难理解 理论燃烧温度会越高。对于发热量高的燃料，理论燃烧温度随空气预热温度的升高 越快。因为发热量大的燃料可燃元素多，所需的理论空气量大，空气预热温度相同 的条件下带入的空气热焓就相对越多，所以越有利于燃烧温度的提高。比如，对发 生炉煤气和高炉煤气，空气预热温度提高2 0 0 ，可提高理论燃烧温度约1 0 0 ； 而对于重油，天然气等高发热量燃料，空气预热温度提高2 0 0 ，则可提高理论燃 烧温度约1 5 0 。在实际运用中i 一般依靠烟气余热来提高空气的温度，不但有利 于节能，同时可提高炉内燃烧温度，也有利于燃料的燃烬。 3 空气系数 空气系数会影响到烟气成分和烟气量的多少，从而影响到理论燃烧温度。如果 空气系数小于1 ，则燃烧不完全，很显然使理论燃烧温度降低。如果空气系数大于 1 ，随着空气系数的增大，烟气量增大，假定燃烧完全，则燃料放出的热量是一定 的，因此，理论燃烧温度随空气系数的增大而降低。所以，在实际组织燃烧过程中， 应在保证完全燃烧的前提下，尽量选用较低的空气系数。 4 空气富氧程度 燃料在空气中燃烧时，大量的热量用于加热其中的痰气。当燃料在氧气中或者 富氧空气中燃烧时，由于氮气量的减少，理论燃烧温度会比在空气中提高。富氧程 度与烟气量有一定的影响关系。础。表示含氧量为国( ) 的空气中燃烧的理论烟气 量，础。表示在纯氧中燃烧的理论烟气量。各种燃料的烟气量随空气的富氧程度增 加而减小，但在脚( ) 大约小于4 0 时减小显著；在彩( ) 大于4 0 时减小程度减弱。 武汉理t 大学硕士学位论文 发热量高的燃料理论烟气量受含氧量国( ) 的影响较大；反之，则影响较小。 燃料在不同氧化剂含氧量条件下的理论燃烧温度随着含氧量的提高而升高。在 ( ) 大约小于4 0 时含氧量( ) 对理论燃烧温度的影响较大，且发热量高的燃料 受的影响大一些。所以在实际应用中，如果希望通过采用富氧空气来提高理论燃烧 温度，应使富氧空气控制在国( ) 小于4 0 时才有较好的效果【1 2 】3 7 8 。 2 2 3 聚丙烯材料火焰处理所需温度 聚丙烯( p p ) 是一种半结晶性高聚物材料，密度为0 9 0 9 c m 3 ，是最轻的通用 塑料。它耐腐蚀强，抗张强度为3 0 m p a 。由于均聚物型的聚丙烯在温度高于0 c 时 非常脆，因此许多商业及工业用的聚丙烯材料是加入1 - 4 乙烯的无规则共聚物或 更高比率乙烯含量的钳段式共聚物以改善纯聚丙烯材料的刚性不足的缺点。聚物型 的聚丙烯材料有较低的热扭曲温度( 1 0 0 ) 、低透明度、低光泽度、低刚性，但是 有更强的抗冲击强度。聚丙烯的强度随着乙烯含量的增加而增大。由于结晶度较高， 这种材料的表面刚度和抗划痕特性很好，且不存在环境应力开裂问题。通常复合型 聚丙烯采用加入玻璃纤维、金属添加剂或热塑橡胶的方法进行改性，改性后的强度、 刚性和透明性都比聚乙烯好。但是其缺点是耐低温冲击性差，较易老化，且表面张 力较低，需要通过表面处理技术来改性或者添加抗氧剂予以克服。而在汽车工业 对汽车零部件塑料化的进程中，聚丙烯因为其低廉的价格和良好的品质具有较强的 竞争办，但因其模量和耐热性较低，冲击强度较差，因此不能直接用作汽车配件， 需要将其耐热性由8 0 提高到1 4 5 1 5 0 ，并能承受高温7 5 0 1 0 0 0 h 后不老化， 不龟裂。因此