一种高粘度衬层曲面内腔抛涂仿真技术

技术领域

本发明涉及数字化仿真技术领域，具体为一种高粘度衬层曲面内腔抛涂仿真技术。

背景技术

固体发动机衬层是起到过渡作用的一个薄层，它涂敷燃烧室内绝热层和药柱中间，由于衬层的高粘性两者能够紧密的粘连在一起，能有效防止药柱与绝热层之间出现裂缝或直接脱粘。衬层不仅仅只是一个粘接的作用，除此之外还有隔绝热量、阻止燃烧、缓冲应力的作用。为达到这些作用，对衬层材料有严格的要求：抛涂到壳体绝热层时附着力强，工艺性能好，导热系数和阻燃能量都要处于较低水平，使用寿命长，与药柱和绝热层相容性好，机械性能好。

在固体发动机中，虽然衬层的比例很小，但衬层的粘接性能直接关系到发动机是否能保持一个完整的结构，同时也决定药柱燃烧的稳定性。达到优良粘连结合的衬层/药柱界面可以精确地保证推进剂按设计的标准燃烧，从而使发动机能够平稳地运行。粘连失效的衬层/药柱界面可能会导致药柱的燃烧不按设计的燃烧标准进行，例如燃烧速率或者药柱界面发生变化，从而导致发动机的运行轨迹、运行速度等发生改变。除了这些不良影响外药柱的不按设计燃烧还会造成外壳承受过大的热量，进而导致壳体材料损失强度最终可能会导致发动机失效甚至解体的严重后果。据相关数据统计，国内外固体发动机的故障中大概有三成都是由衬层粘连作用失效引起的。目前随着固体发动机技术的飞速发展，发动机的外形尺寸也要随之改变。目前我国研制和生产新型的固体发动机所需要的衬层成形技术已经不能是传统单一形式的抛涂技术所能满足的了。大量专家认识到，衬层的成型方法逐渐受到衬层料浆材料、发动机外形等条件的制约。如何保证成型后衬层的稳定性，对维持固体发动机结构的稳定性具有非常重大的意义。

所以应在不同抛涂工艺参数下对抛涂衬层料浆进行全面系统的研究。为了更深刻认识不同的抛涂工艺参数下的抛涂过程中衬层料浆及流场的特性规律，本文以位于衬层料浆抛涂口到待抛涂壳体之间的料浆射流作为研究对象，并改变抛涂口直径、抛涂转速、入射口压力等因素，研究衬层抛涂在不同工况条件下的特性规律。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种高粘度衬层曲面内腔抛涂仿真技术。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高粘度衬层曲面内腔抛涂仿真技术，包括抛涂过程及液膜成型仿真、衬层料浆颗粒碰撞壳体仿真和衬层抛涂三维仿真分析；

所述抛涂过程及液膜成型仿真采用FLUENT离散相模型中的DPM模型进行仿真，在该模型下将气相作为连续体，在欧拉坐标系内对气相进行描述，并求解气相的输送方程，而将雾化出来的衬层料浆颗粒群看作离散体，通过对料浆颗粒之间的作用力作积分得到微分方程，再来求解这些离散方程组，这些料浆颗粒的轨道计算是在拉氏坐标系下进行的，并且可以算得由颗粒间碰撞引起的热传递以及质量损失，当Fluent跟踪计算一个粒子的运行轨迹时，同时也会对料浆颗粒在气相内运行时产生的热量、质量、动量的增益与损失进行运算，算得的数据会反馈到接下来对气相连续体的计算中去，因此，在DPM模型的计算中连续相和离散相间的计算不是独立完成的，两者的计算结果互相影响，起到一个双反馈的作用，另外对连续相和离散相的方程求解也是穿插进行的，直到两者的计算结果均不再发生变化为止，才会达到收敛效果，这样的双向反馈计算保证了计算结果的准确性，具体包括颗粒力平衡、颗粒力矩平衡、虚质量力和压力梯度力；

DPM模型在流场内部的受力遵循牛顿第二运动方程；

颗粒力平衡：Fluent同归对离散相粒子(雾化胶粒)上的力平衡积分来得到其运动轨迹，该积分计算在拉式坐标系进行，力平衡方程可以写成：

式中，m

式中，μ为气相的分子粘度；d

颗粒力矩平衡：粒子旋转对其在流体中的运动轨迹有重要影响，对于具有高转动惯量的的粒子，这种影响更为明显，在这种情况下，若在模拟中忽略了粒子的旋转，得到的粒子轨迹可能与实际轨迹有显著差异，为考虑粒子的旋转，需要求解一个关于角动量的常微分方程(ODE)：

式中，I

对于球形颗粒，其转动惯量可以通过下式进行计算：

虚质量力：雾化胶粒周围气相作加速运动时附加在胶粒上的力称为虚质量力，其可表达为：

式中，C

压力梯度力：气相流体高速运动产生的压力梯度作用在雾化胶粒上的力为压力梯度力，其表示为：

所述衬层料浆颗粒碰撞壳体仿真采用FLUENT中的VOF模型进行仿真分析，在该模型下，一单位体积内只能包含单一一种相，因此用相体积率来表达单元内某一相的占比；在该模型计算中，一组动量方程被同一单元内的多种流体相所共用，每一个控制体积单元内各流体相所占有的体积分数是非常重要的参数，在计算时都会被记录下来，在每一个控制体积单元内，各相所占体积率的总和为1，控制体积中的各相共享任何一种变量以及与之相关的属性，并用体积平均值来表示，这样以来，各相的体积分数就能够确定控制体积中的任意一种变量及其属性；简单来说，在一个单元体积中，若第q相流体体积分数为α

(1)α

(2)α

(3)0<α

基于α

该模型存在三种控制方程，分别为：体积分数方程(连续性方程)、属性计算方式和动量方程；

体积分数方程(连续性方程)：FLUENT通过求解一个或者多个相的容积比率的连续方程来实现计算跟踪相之间的界面，对第q相有：

其中：

属性计算方式：每一单元体积内存在的各个分相决定输运方程式中显示的属性，由于本仿真中应用到两相流，这里给出两相流系统中属性计算方程，两相分别标为1和2，如果是单元内第二相被跟踪，那么下式为该单元体积中的总体密度：

ρ＝α

一般当系统内相的数目很多时，会采用平均密度的形式，如下式：

ρ＝∑α

所有其他属性都以这种方式计算；

动量方程：在VOF模型的计算法则中，计算域内全部的相都会共享在整个计算域内求解某一相的动量方程所获得的速度场；通过对属于属性ρ和μ的所有相的体积分数进行计算来获取动量方程，方程如下：

所述衬层抛涂三维仿真分析：针对雾化液滴碰在空气中运动，撞到壁面并最终形成衬层的过程的模拟涉及到基于Euler场的流体模型、基于Lagrange描述的液滴/颗粒群模型，以及Euler-Lagrange耦合计算系统，能够精细模拟胶粘剂雾化、扩散及其衬层相互作用等物理过程；

Euler-Lagrange耦合算法：为了精细模拟抛涂过程中流体介质的多尺度变化现象与力学行为，有必要采用Euler-Lagrange耦合算法及相关物理模型；基于Euler物理场描述的连续介质模型和Navier-Stokes控制方程组(即NS方程组)，可以准确模拟气相介质的可压缩流动状态；基于Lagrange描述的有限大小颗粒流模型及其控制方程，则可以精细模拟颗粒流之间、颗粒流与气相介质之间、颗粒流与干/湿壁面之间业已存在的复杂力学行为与动力学过程；

气相介质对颗粒流的作用(质量/动量/能量输运)，主要通过经验模型或简化模型(如球形粒子等)以源项形式添加到Lagrange描述的粒子控制方程；颗粒直径(约为100μm量级)通常远小于Euler描述的离散网格尺度；因此，颗粒群对连续介质(含壁面)的作用(质量/动量/能量输运)，则以统计积分形式展现在NS方程源项中；

颗粒流中，粒子运动与粒子间碰撞是两个相对独立的过程；对应于这两个过程的物理时间分别称为粒子弛豫时间

基于Euler描述的连续相控制方程与算法：连续相流体介质为空气和胶粘剂构成的混合物；在Euler场描述中，该流体介质运动满足以下控制方程组：

式中，α

上述控制方程组中，m

基于Lagrange描述的颗粒运动模型与算法：

(A)控制方程：颗粒在连续介质流体中的运动，满足以下方程：

其中，F

(B)阻力及其力矩：定义颗粒在气流中的相对运动速度为U

式中，C

(C)浮力：由重力(密度差)产生的浮力F

(D)旋转作用力：在旋转参考系中，记区域旋转速度为Ω，则离心力和科氏力可由以下公式计算：

(E)虚拟质量力：虚拟质量力是由于颗粒在气流中加速运动产生的附加力，可由以下公式计算：

式中，C

(F)压力梯度作用力：压力梯度作用力可由以下公式计算：

对于准定常流，压力梯度可用速度梯度项替换，则有：

(G)连续相动量守恒方程的新增源项：根据动量守恒原理，连续相动量守恒方程新增的源项可采用以下公式计算：

S

式中，∑表示对连续相所在控制体内所有颗粒进行求和运算；

液滴颗粒破碎模型与算法：液滴破碎是粒子动量与表面张力平衡下的动力学行为；采用适用于低We数的喷雾模型TAB，该模型的算法实现过程具体如下：

(A)液滴破裂准则：TAB模型将液滴振荡与破裂过程类比于一个弹簧阻尼系统；该模型假定液滴振荡运动满足以下阻尼控制方程：

其中，x是液滴形变位移(如液滴赤道点相对于球形半径的位移)，m是液滴质量，方程各项系数由以下公式计算：

式中，ρ

液滴破碎的判定准则为：

x>C

系数C

定义y＝x/(C

液滴破裂的判定标准为y>1；若相对速度u

上式中，各参数的具体形式如下：

记数值迭代的时间步长为Δt，则根据上式，可以迭代计算每步的y。记第n步时液滴的特征参数为y

同理，对第20个公式进行求导，可以得到

(B)破碎粒子的SMR：液滴颗粒破碎前的能量(记为E

式中，K表示变形势能与振动能的转换系数；

破碎后的粒子群没有变形势能，且记该粒子群的Sauter平均半径(Sauter MeanRadius，SMR)为r

/>

破碎前、后，上述能量平衡，且假定y＝1、ω

(C)破碎粒子运动速度：液滴破碎前其赤道面的膨胀速度为：

TAB模型假定破碎粒子仍沿赤道面法向运动，且速度正比于上述膨胀速度，即：

上式中，比例系数C

(D)破碎粒子数运动速度：由第16个公式迭代计算至y

式中，N

颗粒与含液膜壁面的相互作用模型及算法：颗粒与含液膜的壁面的相互作用过程及物理机理复杂，包括液滴回弹、液膜飞溅、蒸发、对流换热、液膜破碎等传热传质现象，碰撞作用与壁面温度、粗糙度、液膜状态、粒子速度和角度等参数密切相关；

记液膜厚度为d

上式中，

(三)有益效果

本发明提供了一种高粘度衬层曲面内腔抛涂仿真技术，具备以下有益效果：

(1)、本发明对衬层料浆抛出后与壳体相撞形成液膜进行数值仿真分析，应用FLUENT中的DPM模型，分别改变入射器的直径、衬层料浆颗粒的直径和入射速度，分析了改变这三种因素后，抛涂质量的改变。分析得出：入射器的直径越小，抛涂效率越高，衬层均匀性越好。随着衬层料浆颗粒的直径的减小，成型的最大液膜厚度随之减小。但改变的只是最终成型衬层的厚度，最终达到的覆盖率几乎保持不变。抛涂速度的加大，成型的最大液膜厚度随之减小，但衬层料浆颗粒碰撞壳体后的覆盖面积几乎没有改变。

(2)、本发明宏观上应用DPM模型对抛涂液膜成型进行仿真后，细化到料浆颗粒碰撞到壳体的问题上进行进一步仿真分析。针对此问题采用FLUENT中的VOF模型进行仿真分析。分析不同的抛涂口直径、抛涂速度、抛涂口间隔距离下衬层料浆颗粒碰撞壳体后的情况。可得结论：随着抛涂口直径的减小，衬层料浆颗粒在与壳体碰撞后的破碎越来越剧烈，在气相内高速运行下破碎成小颗粒的概率更大。随着抛涂速度的加大，衬层料浆颗粒具有更大的动能，碰撞壳体后形成的液膜厚度更小，碰撞引起的溅起效果也更明显。由于衬层料浆的高粘度性，抛涂口间距过小时，会导致最终成型的衬层不均匀，抛涂口间距过大时，在颗粒挤压处会保留较大的气泡，导致最终成型的衬层质量不好。

附图说明

图1为粒子追踪图；

图2为不同抛涂口尺寸下液膜厚度云图；

图3为最大液膜厚度随抛涂口尺寸变化曲线图；

图4为2mm抛涂入射口下液膜厚度随位置变化曲线图；

图5为5mm抛涂入射口下液膜厚度随位置变化曲线图；

图6为8mm抛涂入射口下液膜厚度随位置变化曲线图；

图7为不同抛涂口尺寸下压力云图；

图8为2mm抛涂入射口下压力随位置变化曲线图；

图9为5mm抛涂入射口下压力随位置变化曲线图；

图10为8mm抛涂入射口下压力随位置变化曲线图；

图11为不同雾化液滴尺寸下液膜厚度云图；

图12为最大液膜厚度随雾化液滴尺寸变化曲线图；

图13为1mm雾化液滴下液膜厚度随位置变化曲线图；

图14为3mm雾化液滴下液膜厚度随位置变化曲线图；

图15为5mm雾化液滴下液膜厚度随位置变化曲线图；

图16为不同雾化液滴尺寸下压力云图；

图17为不同雾化液滴尺寸下粒子追踪图；

图18为1mm雾化液滴下压力随位置变化曲线图；

图19为3mm雾化液滴下压力随位置变化曲线图；

图20为5mm雾化液滴下压力随位置变化曲线图；

图21为不同抛涂速度下液膜厚度云图；

图22为抛涂速度为15m/s时液膜厚度随位置变化曲线图；

图23为抛涂速度为20m/s时液膜厚度随位置变化曲线图；

图24为不同抛涂速度下压力云图；

图25为抛涂速度为15m/s时压力随位置变化曲线图；

图26为抛涂速度为20m/s时压力随位置变化曲线图；

图27为不同抛涂口直径下的颗粒碰撞壳体相图；

图28为不同抛涂口直径下的颗粒碰撞壳体压力云图；

图29为最大压力值随衬层料浆颗粒尺寸的变化曲线图；

图30为不同抛涂速度下的颗粒碰撞壳体仿真相图；

图31为不同抛涂速度下的颗粒碰撞壳体的压力云图；

图32为最大压力值随衬层料浆颗粒抛涂速度的变化曲线图；

图33为不同抛涂口间距下的颗粒碰撞壳体的仿真相图；

图34为不同抛涂口间距下的颗粒碰撞壳体的压力云图；

图35为最大压力值随抛涂口间距的变化曲线图；

图36为雾化液滴形态图；

图37为液膜/衬层厚度云图；

图38为液膜/局部速度图；

图39为气体速度场图；

图40为气体速度场图；

图41为液膜/衬层厚度云图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种高粘度衬层曲面内腔抛涂仿真技术，包括抛涂过程及液膜成型仿真、衬层料浆颗粒碰撞壳体仿真和衬层抛涂三维仿真分析。

抛涂过程及液膜成型仿真过程及结果对比：

由于仿真过程是瞬态的，首先要将General中的Time改成Transient，打开K-epsilon(Realizable)湍流模型，打开DPM模型并定义Physical Moles为随机碰撞模型和破碎模型。在DPM模型下面定义一个喷射入射器，定义好入射器的位置、喷射角度、雾化液滴大小等参数。

1、抛涂口直径对成型液膜的影响

采用控制变量法来进行抛涂口直径对抛涂效果影响的仿真，对不同抛涂口直径下得到的液膜厚度分布云图进行分析。如图1所示，这是应用DPM模型进行仿真的粒子追踪显示。如图2所示，从左到右分别是抛涂入射口为2mm、5mm、8mm下得到的液膜厚度云图。这三种工况下的衬层材料的抛涂速度、抛涂口入口流量、抛涂材料的雾化程度都保持一致，只改变抛涂口的直径。

计算相同时间步数下三种工况得到的最大液膜厚度值如表1所示，最大液膜厚度变化规律如图3所示。由此，可得出随着抛涂口直径的增加，抛涂料浆从抛涂口喷射后发散范围越来越大，在相同抛涂口数目下，抛涂口直径越大，最终得到的液膜厚度的不均匀性加大。同时，由于抛涂口直径越小，雾化胶体颗粒更集中，在合理布置多个抛涂口的情况下，使用较小抛涂口可提升抛涂效率，提高衬层成型的均匀性。

表1不同抛涂口尺寸下最大液膜厚度值

如图4到图6所示，为抛涂过程中不同位置的液膜厚度变化曲线图。从图中我们可以看到最大液膜厚度值的变化，同时也可以直观的看出随着抛涂入射口的增大，液膜的覆盖面积在增大，抛涂入射口尺寸为2mm时在X方向的覆盖率为50％，抛涂入射口尺寸增大到5mm时覆盖率达到60％，当抛涂入射口尺寸增大到8mm时覆盖率达到70％。

如图7所示，从左到右分别为抛涂入射口为2mm、5mm、8mm下得到的压力云图。其最大压力值分别为：2mm时8.21Pa、5mm时6.92Pa、8mm时5.09Pa。由此可知，随着抛涂范围的集中，计算域中的压力最大值也随之加大。不同抛涂入射口在抛涂过程中壳体上各个位置压力变化曲线图如图8至图10所示，该图表达出压力随着位置改变呈现出来的递变规律。

2、衬层料浆雾化程度对成型液膜的影响

同样采用控制变量法来进行雾化程度对抛涂效果影响的仿真，对不同雾化液滴直径下得到的液膜厚度分布云图进行分析。这里对尺寸为5mm的抛涂入射口设置不同的雾化条件，得到不同的云图进行对比分析。如图11所示，从左到右分别是雾化液滴为1mm、3mm、5mm下得到的液膜厚度云图。这三种工况下的衬层材料的抛涂速度、抛涂口入口流量、抛涂口的直径都保持一致，只改变雾化液滴的直径。

计算相同时间步数下三种工况得到的最大液膜厚度值如表2所示，最大液膜厚度随雾化液滴尺寸变化规律如图12所示。对比可明显看出随着雾化程度的加大，成型的最大液膜厚度随之减小。

表2不同雾化液滴尺寸下最大液膜厚度值

如图13至图15所示，依次为雾化液滴尺寸是1mm、3mm、5mm下得到的液膜厚度变化曲线图，从图中我们可以看到最大液膜厚度值的变化，同时也可以直观的看到三种工况下的液膜覆盖范围几乎一致，变化的只是不同位置的液膜厚度值，说明改变雾化液滴尺寸，改变的只是最终成型衬层的厚度，最终达到的覆盖率几乎保持不变。

如图16所示，从左到右分别为雾化液滴为1mm、3mm、5mm下得到的压力云图。其最大压力值分别为：1mm时6.92Pa、3mm时5.38Pa、5mm时82.7Pa。对比云图可看出，随着雾化液滴尺寸的增大，计算域中液膜中心最大压力先变化不大，然后随着液滴尺寸的继续增大，压力开始有一个剧增的趋势。

同时随着雾化液滴尺寸的增大，液滴与壳体碰撞后的溅射面积减小，壳体上压力递变变得越来越明显。从粒子追踪图中同样可看出这一点，如图17所示，从左到右分别是雾化液滴为1mm、3mm、5mm下得到的粒子追踪图，从该图可明显看出随着液滴尺寸的增大，液滴的飞溅程度越来越小。这点可说明随着雾化料浆尺寸的增大，抛涂出来的衬层均匀性会有一定程度的下降。

雾化液滴分别为1mm、3mm、5mm下抛涂过程中壳体上各个位置的压力变化曲线图依次如图18至图20所示，该图表达出压力随着位置改变呈现出来的递变规律。随着雾化液滴尺寸的增大，液滴的重力越来越大，与壳体碰撞时更加剧烈，冲击接触边界的空气快速运动，容易形成负压区域，从图20中雾化液滴为5mm的压力变化曲线图可以看到在衬层料浆颗粒堆积边界出现负压区域。

3、抛涂速度对成型液膜的影响

采用控制变量法来进行抛涂速度对抛涂效果影响的仿真，对不同抛涂速度下得到的液膜厚度分布云图进行分析。这里对尺寸为2mm的抛涂入射口设置不同的抛涂速度，得到不同的云图进行对比分析。如图21所示，从左到右分别是抛涂速度为15m/s、20m/s下得到的液膜厚度云图。这两种工况下的衬层材料的雾化程度、抛涂口入口流量、抛涂口的直径都保持一致，只改变雾化液滴的抛出速度。

由于雾化胶粒的抛涂速度不同，根据速度比值，对胶粒抛涂速度为15m/s的工况取计算100个时间步数下的最大液膜厚度值，对胶粒抛涂速度为20m/s的工况取计算75个时间步数下的最大液膜厚度值，数值见表3。对比可明显看出随着抛涂速度的加大，成型的最大液膜厚度随之减小。

表3不同抛涂速度下最大液膜厚度值

如图22和图23所示，依次是抛涂速度为15m/s、20m/s下得到的不同位置的液膜厚度变化曲线图，从图中我们可以看到最大液膜厚度值的变化，同时也可以直观的看出随着抛涂速度的改变，衬层料浆颗粒碰撞壳体后的覆盖面积几乎没有改变。

如图24所示，从左到右分别为抛涂速度为15m/s、20m/s下得到的压力云图。其最大压力值分别为：15m/s时8.24Pa、20m/s时9.81Pa。对比云图可知，随着抛涂速度的增大，雾化胶粒拥有更大的动能，碰撞壳体时给壳体更大的冲击力。在抛涂过程中壳体上各个位置压力变化曲线图如图25和图26所示，依次是抛涂速度为15m/s、20m/s下得到的压力变化曲线图，该图表达出压力随着位置改变呈现出来的递变规律。

结论

1、利用Fluent中的DPM模型对衬层料浆碰撞到壳体后形成液膜进行仿真。首先探究的是不同抛涂口直径下的抛涂效果，仿真结果显示随着抛涂入射口的增大，成型液膜的最大厚度在减小，液膜的覆盖面积在增大，抛涂入射口尺寸为2mm时在X方向的覆盖率为50％，抛涂入射口尺寸增大到5mm时覆盖率达到60％，当抛涂入射口尺寸增大到8mm时覆盖率达到70％。

2、在DPM模型中设置不同直径的雾化颗粒来探究雾化程度对成型液膜的影响，结果显示：改变雾化液滴尺寸，改变的只是最终成型衬层的厚度，最终达到的覆盖率几乎保持不变。由压力云图得知，随着雾化颗粒的增大在衬层料浆颗粒堆积边界容易出现负压区域，会造成最终成型衬层的不均匀性。

3、对入射口设置不同的喷射颗粒速度来进行抛涂速度对抛涂效果影响的仿真。结果显示：随着抛涂速度的加大，成型的最大液膜厚度随之减小，但衬层料浆颗粒碰撞壳体后的覆盖面积几乎没有改变。

衬层料浆颗粒碰撞壳体仿真过程及结果对比：VOF模型研究问题也是瞬态的，首先也要将General中的Time改成Transient,选择Multiphase Moles中的Volume of Fluid模型，定义相的数目为两相，其中主相定义为空气，次相定义为密度为1800kg/m

1、不同抛涂口直径下的颗粒碰撞壳体情况

抛涂口直径的大小直接决定抛洒出来的衬层料浆颗粒的直径大小，这里采用定义不同直径的料浆颗粒来进行仿真研究。采用方法为：在计算域内定义不同直径的region。如图27所示，从上到下分别是抛涂口直径为1mm、2mm、3mm下得到的仿真相图。从仿真相图中我们可以清晰地看出随着抛涂口直径的减小，衬层料浆颗粒在与壳体碰撞后的破碎越来越剧烈。同时由于定义的衬层料浆颗粒的抛涂速度一样，在相同速度下，料浆颗粒的直径越小，在气相内高速运行下破碎成小颗粒的概率更大，这一点可以在图27的第一张图中可以清晰的看出。

如图28所示，为不同抛涂口直径下的颗粒碰撞壳体时的压力云图。可看出不同直径的衬层料浆颗粒碰撞壳体时压力变化明显，大颗粒下对壳体的压力更剧烈。三种抛涂直径下的颗粒碰撞壳体时的最大压力值如表4所示，最大压力值随衬层料浆颗粒尺寸的变化规律如图29所示。

表4不同抛涂口直径下的颗粒碰撞壳体最大压力值

2、不同抛涂速度下的颗粒碰撞壳体情况

这里采用控制变量法来进行不同抛涂速度的颗粒碰撞壳体情况仿真，如图30所示，是不同抛涂速度的颗粒碰撞壳体时的仿真相图，从上到下分别是抛涂速度为20m/s、50m/s、70m/s时的相图。这三种工况下的衬层料浆颗粒的直径、抛涂口间隔距离都保持一致，只改变抛涂速度。由图可清楚看出随着抛涂速度的加大，衬层料浆颗粒具有更大的动能，碰撞壳体后形成的液膜厚度更小，碰撞引起的溅起效果也更明显。

如图31所示，为不同抛涂速度下的颗粒碰撞壳体时的压力云图。可看出抛涂速度增大，衬层料浆颗粒在具有更大动能的工况下，颗粒对壳体的压力更剧烈。三种抛涂速度下的颗粒碰撞壳体时的最大压力值如表5所示，最大压力值随衬层料浆颗粒抛涂速度的变化规律如图32所示。

表5不同抛涂速度下的颗粒碰撞壳体最大压力值

3、不同抛涂口间距下的颗粒碰撞壳体情况

这里采用控制变量法来进行不同抛涂口间距下的颗粒碰撞壳体情况仿真，保持衬层料浆颗粒的直径和抛涂速度不变，在仿真设置中只改变定义的Region之间的间距来达到设置抛涂口间距不同的目的。

如图33所示，是不同抛涂口间距下的颗粒碰撞壳体时的仿真相图，从上到下分别是抛涂口间距为1mm、2mm、3mm时的相图。由图看出随着抛涂口间距的加大，两颗粒间碰撞后的挤压溅起幅度减小。由于衬层料浆的高粘度性，间距过小时，会导致颗粒间挤压处料浆材料堆积过多，在边抛涂边固化的情况下很有可能导致在没有平坦均匀的状况下固化，导致最终成型的衬层不均匀。

同时，我们也可以看到在衬层料浆颗粒间距大时，由于挤压力较小和间距处存留气体较多的原因，在颗粒挤压处会保留较大的气泡，气泡较多时会导致固化后残留气泡，导致最终成型的衬层质量不好。因此抛涂口的间距不宜过大也不宜过小。

如图34所示，为不同抛涂口间距下的颗粒碰撞壳体时的压力云图。由图可看出当间距小时，最大压力存在于两颗粒挤压处，随着间距的增大，最大压力值几乎没什么变化。三种抛涂口间距下的颗粒碰撞壳体时的最大压力值如表6所示，最大压力值随抛涂口间距的变化规律如图35所示。

表6不同抛涂口间距下的颗粒碰撞壳体最大压力值

结论

1、针对衬层料浆颗粒碰撞壳体问题，采用FLUENT中的VOF模型进行仿真分析。采用在计算域内定义不同直径的region，来达到设置不同抛涂口直径的目的。随着抛涂口直径的减小，衬层料浆颗粒在与壳体碰撞后的破碎越来越剧烈，并且在气相内高速运行下破碎成小颗粒的概率更大。

2、研究不同抛涂速度下的颗粒碰撞壳体情况得到：随着抛涂速度的加大，衬层料浆颗粒具有更大的动能，碰撞壳体后形成的液膜厚度更小，碰撞引起的溅起效果也更明显。

3、在仿真设置中只改变定义的Region之间的间距来达到设置抛涂口间距不同的目的，探究不同抛涂口间距下的抛涂效果。间距过小时，颗粒间挤压处料浆材料堆积过多，很有可能导致在没有平坦均匀的状况下固化，导致最终成型的衬层不均匀。衬层料浆颗粒间距大时，在颗粒挤压处会保留较大的气泡，导致最终成型的衬层质量不好，因此抛涂口的间距不宜过大也不宜过小。

衬层抛涂三维仿真示例计算：该算例模型为一个直径300mm，长度1m的圆筒，圆筒转速24rpm，出胶量210ml/min，喷涂头运行速度1m/s。胶粘剂粘度取50Pa.s,表面张力0.071N/m。

雾化液滴的喷雾角度约65度，如图36所示。

图37-38为0.02s液膜厚度云图和液滴碰撞液膜位置度局部速度矢量图，从图中可见雾化液滴撞击壁面之后，推动液膜向两侧移动，壁膜受圆筒运动壁面而带动。

图39为气体速度场云图与矢量图，由图可见腔体的空气受到喷雾的影响也会有明显的流动，流动方向与喷雾的流动方向一致。

图40为喷雾颗粒的速度，从图中可见胶粘剂喷雾颗粒离开喷涂头的时候速度最大，之后由于气体的阻力，速度逐渐降低。

图41为1s后壁面液膜厚度云图，通过下式计算的均匀性系数来衡量0.15m～1m区域(衬层区域)衬层厚度的均匀性，该示例中均匀性系数为0.9975，表示衬层厚度分布非常均匀。

式中A

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。