致密网渗透率对喷枪内流体流动的影响

1、致密网渗透率对喷枪内流体流动的影响    摘 要：用于改变塑料零件表面张力的火焰处理喷枪是火焰处理工艺中最关键的部件。设计成功的火焰处理喷枪能够组织有稳定外形和刚度的火焰。然而，得到高质量火焰的前提是燃气喷射的均匀。为了达到此效果，本文作者在喷枪腔体内设置了一张金属致密金属网用以调整腔体内燃气压力。本文利用Fluent 软件，对不同致密网的渗透率下的腔体内燃气流动进行了数值模拟，并通过分析其结果得到了渗透率对燃气流动的影响规律，为火焰处理喷枪的设计提供了理论依据。关键词：火焰处理，喷枪，金属致密网，渗透率，流动中图分类号：TP211+.31.引言随着我国

2、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1。而火焰处理喷枪则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。火焰处理喷枪的跟常见的燃气燃烧器相比有以下几个特点：1气体燃料与空气在进入喷枪的腔体之前就已经预先混合，即可认为混合时间为零，所以燃烧的总体时间实际上仅取决于化学反应时间。2燃料完全燃烧所需的空气消耗系数a 很小，燃气的燃尽程度很高，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2。4燃烧速

3、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。良好的专用火焰喷枪需要满足以下两个条件：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；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；而火焰外形是工艺工程师在设定机械手移动轨迹

4、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。出于以上两点的考虑，这就要求火焰处理喷枪喷射出来的燃气的速度是均匀的，喷射的- 2 -方向也是同一的（与喷枪的喷气面垂直）。本文中为了达到以上描述的燃气喷出效果，在喷枪的结构设计中添加了金属致密网。本文将利用Fluent 软件来研究金属致密网的关键参数渗透率对喷枪腔体内的燃气流动的影响。2.喷枪的工作机理本文设计的喷枪主要是靠高温火焰对仪表板所有需处理外表面进行等效炙烤，为了组织出具有一定长度、刚度和形状的火焰，其核心控制点是保证出气面上喷射出的燃气速度均匀、方向统一且混合完全。为实

5、现这些目标，喷枪设计为预混多孔式。这种喷枪装置简单、燃气混合均匀、燃烧速度高，在a =1.031.05 时就可保证完全燃烧，此外它不需要风机，能耗低，管路简单，控制系统也简单。压缩空气（出口压力为5bar）与瓶装高纯甲烷气体（出口压力减压到0.8bar）在燃气配比控制柜内初步配比好后，经高压射入到喷枪腔体内，并在腔体内形成紊流，使得燃气与空气进一步混合。为了破坏射流在腔体内规则流动，本文在腔体内设置金属致密网，以打乱燃气流动方向，同时调控腔体内各部位压力。经过调压和调向后的混合燃气从致密网渗透出来后，将进入一定厚度的平行管多孔金属板，在微小直径的平行管内进行第三次混合。具有一定长度的平行管还可

6、调整燃气喷出方向，使其与喷枪出气面垂直。喷枪可以通过调整致密网渗透率、平行管多孔金属板厚度、开孔率等参数调整燃气气流的流动状态。本文将着重研究致密网渗透率对燃气流动的影响。3.喷枪设计本课题设计的喷枪主要由气管接头、点火电极、喷枪壳体、平行管多孔式金属板（由波纹金属弹片构成）、金属致密网及端盖构成。图1 就是所设计的喷枪外观图。图2 是喷枪结构的爆炸图。1.气管接头 2.点火电极 3.喷枪壳体 4.平行管多孔金属板 5.端盖图1 火焰处理喷枪外观图12345- 3 -1.气管接头 2.点火电极 3.喷枪壳体 4.平行管多孔金属板 5.端盖 6.金属致密网图2 火焰处理喷枪结构爆炸图喷枪壳体是喷

7、枪主要部分，所有的元件都是在壳体上完成安装与配合。出于节能和组织火焰形状两方面考虑，壳体的出气面设计为矩形大平面，这样在燃烧的时候能形成均匀的灼热面，提高对零件的辐射传热效果，能比普通燃烧器节约12%到30%的能源。本文中的金属致密网是弯折为圆筒状放置在腔体内，燃气从进气口进入到腔体后就直接进入到了有金属致密网所围成的封闭空间内。燃气要想从平行管多孔金属板喷射出去就必须从致密网的上部穿透。因此起到了对燃气过滤、调压的作用。燃气在整个流动过程中实现了三次的混合，如图3 所示。图3 喷枪内预混燃气流向及混合情况示意图又图3 可以看出，由金属网进气气流的剪切作用，使得整个腔体内的高压预混气体发生不规

8、则的紊流，然后从致密网上方以较慢的速度渗透出去，实现均匀腔体内压力的功能，进而使得进入平行管多孔金属板的气流流速均匀，为得到稳定、均匀的火焰提供可能性。图4是金属致密网的结构示意图。1246351 次混合3 次混合2 次混合金属致密网- 4 -图4 金属致密网结构示意图4.数值模拟4.1 模型建立及网格划分本文利用三维建模软件Pro/ENGINEER 来建立喷枪的流场模型，生成模型*.stp 格式的文件，导入到GAMBIT 中进行网格划分。图5 是合理简化后喷枪腔体内流域模型。图5 合理简化后喷枪腔体内流场模型喷枪腔体内流场是由腔体区域、致密金属网区域和平行管多空金属板区域组成。由于大多数多孔

9、介质的流场模型孔隙繁多且极不规则，使得三维建模工作难度太大，普通个人电脑无法处理与计算，因此在对多孔介质区域流场数值模拟的时候往往用其外观模型代替。而且Fluent 软件中对多孔介质也是从宏观上控制与离散的，在求解过程中只需要对多孔介质区域特别定义并进行相关参数设置即可。所以在本文中，致密金属网区域和平行管多孔金属板区域被简化为等价的长方体（如图5 所示）。对所要计算的区域进行网格划分是数值模拟计算中较重要的一环，网格划分质量的好坏将直接影响到模拟的可靠性、模拟结果的精度以及模拟过程中的收敛性和稳定性。本文采用Fluent 软件包自带的网格划分软件GAMBIT 对喷枪腔体内流场的三维实体模型进

10、行网格划分。由于本文中简化后的喷枪腔体三维实体外形并不复杂，所以全部采用结构体网格对它进进气口平行管多孔金属版出气口喷枪腔体致密金属网- 5 -行网格划分。划分好的网格如图6 所示，网格总数为91730。图6 喷枪腔体内流场网格图4.2 物理模型的选择预混燃气在较大的压力下以较大的速度射入到喷枪腔体内，因此燃气的流动十分复杂，为了使整个过程的湍流运动与实际过程尽可能的吻合，数值模拟计算中计算模型的选取显得至关重要。本文中的计算选择稳态模式，在数值模型中认为甲烷气与空气的预混气体的流动状态是可压缩的粘性湍流流动，湍流模型选用标准的k -e 高Reynolds 模型；气体密度根据理想气体状态方程计

11、算；对于速度与压力的耦合问题，由于SIMPLE 算法及其改型SIMPISO主要用于计算定常不可压缩或压缩性效应不显著的流动，因此本论文采用SIMPLE 算法。此外，对于计算模型本文所作的假设如下：1喷枪腔体的壁面绝热，无外界热损失；2重力的影响忽略不计，忽略压力功和动能；3燃气视为不可压缩理想气体；4平行管多孔金属板视为体积平均介质，均匀分散在指定流场区域中，多孔介质视为一种均匀单向连通结构，流体仅在平行管轴向方向可渗透，径向方向不可渗透，且每个单元都是均一的。本文的流体为甲烷与空气的混合气体，空燃比为A/ F = 18.81。4.3 边界条件的设置入口边界条件定义为混合燃气入口，命名为Inl

12、et1。入口压力为5bar。设定入口处的湍流参数Turbulent Intensity=10%，Hydraulic Diameter=0.02m。进气温度为300K。压力出口边界选取预混气体的出气面。由于预混气体从喷枪腔体内出来后，消散在空气中，故设置出口压力为一个大气压。因为为冷态模拟，预混燃气并未发生化学反应与燃烧，- 6 -因此温度不变，仍为300K。固体壁面设为绝热壁面，即没有热通量和质量通量通过。采用无质量渗透和无速度滑移条件，即假定相对于壁面的气流切向分速度和法向分速度为零。对于金属致密网，由于其厚度非常小，故将其设置为多孔跳跃模型（Porous Jump）。设定该多孔跳跃模型的渗

13、透率3（Face Permeability）分别为a = 0.1，a = 0.01 和a = 0.001，比较三个参数下腔体内流体流动的状态。设定多孔介质跳跃模型的厚度为1mm。压强跃升系数保持默认值不变。5.求解结果分析对收敛条件进行合适的设置之后，对模型求解。当迭代到95 步时，通过残差曲线可以看出已较好地达到收敛标准。图7 是残差曲线图。图7 残差曲线图8 是当多孔跳跃面得渗透率a = 0.1 时，在X=0 剖面的速度云图。图8 a = 0.1 时X=0 剖面速度云图通过观察可知，腔体内不同部位的燃气速度跳动过大，其中最大的入口速度与出气面上最小的出气速度相差到两个数量级。此外，在腔体的

14、中心对称面上，燃气流动路线明显，主        - 7 -要从腔体的远离进气口部位喷出，不符合出气面燃气均匀流出的要求。其主要原因是，致密金属网对高速气流的阻流作用不够，让燃气较轻松的从出气面流出。图9 是a = 0.01 时X=0剖面的速度云图。图9 a = 0.01 时X=0 剖面速度云图从图9 可以看出，将致密网的渗透率减小一个数量级以后，燃气进口速度大幅下降，说明燃气输入压力与腔体内气压的压力差减小，喷枪的保压、调压效果变好。但是在气流进口的上端出现了一定程度的回流，进而影响燃气在出气面靠近进气口端的流出

15、。可尝试进一步减小多孔跳跃模型的渗透率。图10 是a = 0.001 时X=0 剖面的速度云图。图10 a = 0.001 时X=0 剖面的速度云图通过观察发现，将a 进一步调小一个数量级之后，进气口处进气气流上端的回流区域基本上消失了，整个腔体内靠近出气面的部分实现了气流流速数值上的均匀，与预期的效果相吻合。下面通过速度矢量图来研究腔体内气流的方向。- 8 -图11 a = 0.1 时X=0 剖面速度矢量图图12 a = 0.1 时X=0 剖面局部速度矢量图通过图11 和12 可以得知，a = 0.1 的时候，喷枪出气面靠进气口一端将喷枪外部的空气吸入，只有远离进气口的一端才有燃气喷出。这是

16、由于进气口气流速度过大，造成气流上方出现小于正常大气压的低压，使得气流自动从高压区域往低压区域流动。当a = 0.001 时，这个问题就不存在了。图13 是a = 0.001 时X=0 剖面速度矢量图。图13 a = 0.001 时X=0 剖面速度矢量图从图13 可以看出，从出气面喷出的燃气不仅速度上较平均，而且方向也统一，均与出气面相垂直。- 9 -图14 a = 0.1 时出气面速度云图图15 a = 0.01 时出气面速度云图图16 a = 0.001 时出气面速度云图图14，15，16 分别是多孔跳跃模型取不同渗透率时，喷枪出气面的速度云图。容易发现，随着渗透率的逐渐减小，出气面各个点

17、的燃气速度越来越均匀，且速度大小也从超过100m/s 降到了56m/s 左右，为形成稳定的火焰提供了可能。图17 为喷枪在a = 0.1 时，x=0 剖面上压力云图，压力梯度变化较大，大致上由左向右逐渐递增。最大压力为96000Pa，最低压力为52200Pa。由于致密金属网的缘故，气压在设置金属网的外置出现明显的分界限，网下方的气压较上方的大，说明致密网起到了降压作用，与实际情况相符。但是平行管多孔金属板区域的压力仍然不够均匀，需要进一步调整。- 10 -图17 a = 0.1 时x=0 剖面上压力云图图18 为喷枪在a = 0.01 时，x=0 剖面上压力云图。在减小了渗透率以后，以金属网为

18、界，腔体内各部分区域压力分布更加均匀。致密网上方区域的压力都控制在了415017500Pa 之间，仍然存在相对负压，还要继续调整。图18 a = 0.01 时x=0 剖面上压力云图图19 为喷枪在a = 0.001 时，x=0 剖面上的压力云图。此时我们发现，由于致密金属网的过滤作用，多孔金属板区域的压力分布已基本无变化，这也说明了经过滤后的燃气速度分布更趋于均匀；金属网区域形成典型的压力跳跃现象。图19 在a = 0.001 时x=0 剖面上压力云图6.结论由以上分析可得，在同等压力的燃气入口情况下，喷枪腔体内不同渗透率的金属致密网对墙体内气流流动会造成很大的影响。致密网拥有较大的渗透率的情

19、况下，即其对流体的阻碍作用相对较小的情况下，高压气流的流向、流速受金属致密网的剪切影响不大，对流动状- 11 -态起主导作用的仍然是进气气流的速度以及喷枪本身的结构。随着渗透率的减小，致密网对整个腔体内气压的调控作用越发明显，随着压力的调节均匀，气流的流速也随之下降，在渗透率的数量级低至3 的时候整个出气面上各个部位的喷气状态已相差无几，这为喷枪点火后得到稳定、齐整的燃烧火焰提供了可能性。参考文献1 周达飞，吴张永，王婷兰汽车用塑料：塑料在汽车中的应用M北京：化学工业出版社材料科学与工程出版中心，2003 年4 月第4 版2 侯凌云，侯晓春喷嘴技术手册M北京：中国石化出版社，2007 年1 月

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