基于平扇喷嘴的近场喷雾动力学数值研究：喷嘴几何形状、喷射压力及热稀释温度的影响

《International Journal of Multiphase Flow》：Numerical investigation of near-field spray dynamics from flat-fan nozzles for water-based sprayable putty: Effects of nozzle geometry, injection pressure, and thermal thinning temperature

　　•构建了一个多尺度的VOF到DPM模型，用于非牛顿流体片状断裂现象的研究。•引入了一个无量纲的缺口深度比，以量化喷嘴几何形状的影响。•采用热稀化效应来提高涂层厚度的均匀性。•开发了一种多喷射器策略，用于预测涂层厚度分布。

引言
随着轨道交通网络（如高铁）的快速发展，对电动车组（EMU列车）的生产质量稳定性和绿色制造水平提出了更高的要求（Lu等人，2023年）。在铁路车辆车体的喷漆过程中，通常包括五个步骤：底漆、腻子、中层漆和面漆。其中，底漆、中层漆和面漆已经基本实现了自动化机器人喷涂。然而，由于腻子材料的高粘度和不良流动性，腻子涂抹步骤仍然主要依靠人工完成。腻子涂抹的质量完全取决于操作者的经验和技巧，这导致难以确保涂层均匀性。因此，经常出现明显的缺陷，如条纹、凹陷、凸起和波纹（Huo等人，2024年）。因此，腻子涂抹过程已成为实现车身喷漆全自动化的一个关键技术瓶颈。

喷嘴是雾化涂层喷涂设备中的关键部件（Xie等人，2013年），其中平扇喷嘴被广泛应用于各种领域，例如设备的防腐涂层（Cowlard，1956年）、农业农药喷洒（Kasbi等人，2023年；Dengeru等人，2022年；Chen等人，2022年）和金属粉末制造（Dunkley，2019年）。对于高粘度液体，目前最常用的类型是压力平扇喷嘴，其内部结构主要由圆形流道、半球形顶部和V形狭缝组成。在压力作用下，液体通过喷嘴出口形成具有一定扩散角度的扇形液膜，通过与周围空气的相互作用逐渐破碎成液滴，从而实现喷涂沉积（Shuran等人，2018年）。然而，在实际应用水性腻子喷涂时，经常出现液体喷射、喷液图案崩塌和雾化不均匀等现象（见图1）。到目前为止，水性腻子喷涂在铁路客车上的成功应用尚未实现（Yu等人，2018年）。

压力平扇喷嘴的雾化过程本质上是液膜不稳定性与破裂的过程。当液体在喷嘴出口处形成薄片后，在惯性力、空气动力力和表面张力的共同作用下会产生扰动（Jackiw和Ashgriz，2023年），这些扰动不断放大，直到液膜变得不稳定并破裂成细长的液丝和液滴（初级破裂（Wu等人，2023年）），随后进一步破裂形成更小的微滴。先前的研究表明，液膜的初级破裂主要受Kelvin-Helmholtz（KH）不稳定性的控制，而液丝转化为微滴的过程则受表面张力驱动的Plateau-Rayleigh（PR）机制控制（Broumand等人，2021年）。除了由气液速度差异引起的界面不稳定性外，液膜径向扩散导致的厚度衰减也会促进扰动的增长；在某些操作条件下，液膜的几何演化可能比气相动态效应更主导初始破裂特性（Majumdar和Tirumkudulu，2016年）。此外，喷嘴内部的湍流波动和空化作用也会导致液膜的形成、膨胀和细长液丝的产生（Asgarian等人，2020年）。因此，液膜的形成和破裂模式受到多种因素的影响，包括喷嘴几何形状、操作条件和流体性质。

关于平扇喷嘴的雾化特性已经进行了大量研究。喷嘴的几何形状直接决定了喷嘴出口处的流场分布和初始液膜形状，从而影响雾化过程。平扇喷嘴通常具有特定的顶部结构，其参数包括V形槽角度、槽深度、入口腔直径以及喷嘴的喉部长度和直径（Chen等人，2025a）。研究表明，喷角与雾化质量密切相关；改变出口流场会影响雾化过程中的液滴大小和速度（Deng等人，2019年）。槽深度和槽角度是决定平扇喷嘴喷角的两个关键几何参数：槽深度与等效出口面积、流量和喷角呈正相关；增加槽角度会减小喷角，增加出口处的液膜厚度，并延长破裂距离（Chen等人，2022年；Shi等人，2019年），同时减弱剪切效应并抑制液滴破裂（Deng等人，2019年；Chen等人，2025b；Mughal等人，2025年），从而增大Sauter平均直径。入口腔与喷嘴喉部之间的面积比也会显著影响喷角和雾化性能；当这个比率增加时，即入口通道变窄，液膜在纵向和横向更容易扩散，导致喷角增大，雾化效果改善（Shi等人，2019年）。由于本研究使用的是具有相同入口腔直径的工业系列喷嘴，因此没有研究这一结构参数。除了结构因素外，入口压力作为核心操作参数，不仅决定了射流的动态强度，还会引起液膜破裂模式的动态变化。增加压力可以显著提高液膜速度，加速界面扰动的增长，促进液膜破裂，并改善雾化效果（Altieri等人，2014年；Ghahfarokhi等人，2024年）。

流体的流变特性是材料的内在属性，决定了液体在外部应力作用下的流动响应和界面变形行为。对于水性腻子等聚合物溶液，其流动行为通常表现出显著的剪切稀化特性，即粘度随剪切速率的增加而降低。此外，温度升高会增强分子的运动性并减弱颗粒间的相互作用，进一步降低流体粘度——这种现象通常称为热诱导稀释。研究表明，剪切稀化和热诱导稀释在聚合物溶液和高浓度悬浮液中常常共存，它们的共同作用可以显著降低流体流动阻力并提高流动性（Peixinho等人，2008年；Eid等人，2024年）。流变特性的变化进一步影响液膜的形成和破裂过程。在线性稳定性理论中，流体粘度通过增强扰动耗散来抑制界面波动的增长，从而延缓液膜破裂（Li，1994年；Li，1993年）。然而，粘度对雾化的影响主要体现在两个方面：一方面，较高的粘度可以提高液膜边缘的稳定性，促进射流形成，并增大最终液滴尺寸；另一方面，它会改变液膜内部扰动的传播和孔隙演化，改变液膜破裂模式（Thompson和Rothstein，2007年）。随着运动粘度的增加，孔隙形成的位置逐渐远离喷嘴出口，液膜破裂距离显著增加（Dombrowski和Fraser，1954年）。

由于开发周期长、实验成本高以及难以直接观察喷嘴设计和制造过程中高速液膜破裂现象，数值模拟已成为研究喷嘴雾化行为的关键工具（Kashani等人，2018年）。随着计算流体动力学的进步，喷嘴雾化模拟已经从宏观流动分析发展到能够直接描述液膜形成和破裂过程的高保真模拟（Deshpande等人，2015年；Zandian等人，2017年）。VOF（体积流体）方法因其出色的界面捕捉能力和质量守恒特性而被广泛用于模拟内部喷嘴流动和液膜破裂过程（Harizi等人，2023年；Gorokhovski和Herrmann，2008年）。自适应网格细化（AMR）技术的引入有效地减少了VOF方法对高分辨率网格的需求，通过在界面附近和梯度剧烈区域局部细化网格，显著减小了整体网格尺寸，同时保持了计算精度（Chen等人，2013年；Ma等人，2011年；Freret等人，2022年）。VOF到DPM的转换模型结合了连续液膜的欧拉方法和离散液滴的拉格朗日方法的优点，实现了液膜演化和液滴追踪的同时模拟，从而实现了连续相和离散相之间的高效耦合（Sun等人，2024年；Harizi等人，2024年）。当与AMR结合使用时，该模型不仅能够在高分辨率下捕捉模拟细节（Sun等人，2024年），而且在预测液滴核心破裂特性方面表现出卓越的准确性，数值结果与实验测量值的相对误差低于7.3%（Harizi等人，2024年）。

尽管压力平扇喷嘴的雾化机制已经得到了广泛研究，但现有研究主要集中在低粘度牛顿流体（如水和农药制剂（Chen等人，2022年；Broumand等人，2021年；Asgarian等人，2020年；Chen等人，2025a；Deng等人，2019年；Shi等人，2019年；Chen等人，2025b；Kumar等人，2021年；Li等人，2014年；Liu和Hung，2024年；Mughal等人，2025年；Post和Hewitt，2018年）以及运动粘度低于100 mPa s的非牛顿流体（如水包油乳液（Altieri等人，2014年）和润滑剂（Ghahfarokhi等人，2024年；Shams Ghahfarokhi等人，2024年）上，这些流体在常压（通常< 1 MPa）和室温条件下进行研究。对于表现出剪切稀化和热诱导稀释行为的高粘度非牛顿流体（如水性丙烯酸可喷涂腻子），目前的研究较少。因此，本研究聚焦于水性丙烯酸腻子，并采用基于欧拉VOF和拉格朗日DPM模拟的数值方法，来预测高压无气喷涂条件下平扇喷嘴的雾化过程。在这一框架内，系统研究了喷嘴尖端V形槽的几何参数对液膜形成和演化的影响，不同操作压力下平扇液膜的空间时间演化行为，以及流体温度对液滴分布和涂层沉积形态的调节机制，从而揭示了油漆流出和液滴形成过程的特征模式。这些发现预计将为油漆喷涂领域提供重要见解，特别是在提高铁路车辆侧壁面板自动化喷涂系统中水性腻子的雾化效果方面。

材料属性和表征
用于喷涂铁路客车侧壁板的腻子是一种水性丙烯酸可喷涂腻子，通过油漆加热器和混合歧管以2:1的体积比将增稠腻子与多异氰酸酯固化剂混合而成，其密度为ρl=1433 kg/m3，表面张力为σ=0.04 N/m。这种腻子是非牛顿流体。在实际喷涂过程中，通常会对其进行预热以改善其流动性并提高雾化和膜形成的质量。

模型验证
图11a表明，在稳定射流阶段，数值模拟得到的液膜扇形角度与实验成像结果非常吻合，均为49°。液膜破裂长度Lb定义为液体从喷嘴出口点到首次出现细长液丝点的垂直距离。图中的红色圆圈表示时空模式下液膜孔的初始形成位置。

结论
腻子层是汽车车身涂层全自动化过程中的一个技术瓶颈。由于水性丙烯酸可喷涂腻子的高运动粘度和幂律流体特性，当前的喷涂操作存在涂层质量差和缺乏指导理论的问题，这限制了铁路车辆车身腻子涂抹过程的自动化。本研究以XHD系列高压无气平扇喷嘴为研究对象，采用了CRedI方法。

作者贡献声明
Lintao Huo：撰写——原始草案、软件开发、方法论研究、概念化。
Ce Yang：验证、数据调查、数据管理。
Haifei Xia：形式分析、数据管理。
Ying Liu：项目监督、资金获取、概念化。
Yutu Yang：项目管理、资金获取。
Enyi Ye：项目监督。

利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢
本研究部分得到了江苏省研究生研究与创新项目（KYCX25_1395）、公交客车侧壁腻子自动喷涂系统开发项目以及中国奖学金委员会（202408320359）的支持。作者们还要感谢南京林业大学机械与电子工程学院提供的实验设施和技术支持。
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