0 引　言

船舶涂装是船舶生产和维修过程中必不可少的环节。在船舶喷涂作业中，船舶通常在开放的码头或船坞进行喷涂作业，而海风带来的气流扰动不仅会吹散船舶涂料，导致环境污染；还会对喷涂效果造成影响，从而导致喷涂效率降低、涂料损耗增加、漆面质量下降。《中国制造2025》中明确指出，我国沿海及内陆河道等船舶生产制造，应构建绿色制造体系^[1]。因此，为降低船舶涂装成本，构建和支持绿色造船，研究海风气扰环境下喷嘴外流场特性具有重要意义。

随着计算机技术的提升，对船舶喷涂外流场分析的研究主要采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）的方法，即通过数值模拟对船舶喷涂作业外流场进行分析。Chong等^[2]数值模拟了Pelton水轮机喷嘴，分析了3种不同冲程条件下喷嘴内部流场及其产生的下游自由射流特性。莫丽等^[3]运用Fluent软件，采用两相流模型，对针型喷嘴在不同入口压力和打击距离下的射流流场进行了数值分析，探究了射流参数变化对射流流场速度与压力分布的影响规律。张策等^[4]基于纹影法技术，在定容喷射装置上进行不同喷射压力和环境压力下的氢气射流特性试验，系统研究了外开式喷嘴的氢气射流特性及其随喷射参数的变化规律。郭军等^[5]为了提升水射流系统的水动力性能，运用计算流体动力学 （CFD） 方法对系统中的管道和喷嘴结构进行了优化设计。张修占等^[6]针对提升船体表面射流清洗效率的问题，研究了风琴管式空化喷嘴的结构特性，并对其射流冲击特性的影响进行探究。Mu等^[7]研究了矩形喷嘴流型的湍流边界层射流分析，通过对3种不同出口面积、宽高比为8的矩形喷嘴进行模拟分析，研究了出口面积与射流流型之间的关系。Wei等^[8]通过Fluent软件对外国纤维分拣器的喷嘴结构进行了流场分析和优化设计，提高了喷嘴的速度均匀性，降低了能量损失。Jin等^[9]采用标准$ {k}-\varepsilon $湍流模型，开展了外射流对水射流推进泵装置水力性能和流场特性影响的数值模拟研究。谷家扬等^[10]对某船舶机舱通风系统采用计算流体动力学的方法进行数值模拟研究。德国弗劳恩霍夫研究所基于大涡模拟（LES）开发了动态风场下的喷涂扩散模型，揭示了颗粒粒径与风速的耦合作用规律^[11]。

目前对喷嘴外流场射流特性的研究多数集中在理想环境或简单气流干扰条件下，针对海风气扰下喷嘴外射流流场的研究相对较少，尚未考虑海风带来的气流扰动。因此，研究海风气扰环境对喷嘴外流场的影响具有重要意义。

本文基于计算流体力学（CFD）基本理论，采用标准$ k-\varepsilon $湍流模型对喷嘴外流场进行数值模拟，运用Ansys Fluent软件，对圆锥收敛型喷嘴以及射流流场进行三维建模，并设置合适的边界条件，采用非结构化网格进行网格划分。数值模拟了在海风气扰环境下，不同风速、不同压力、不同靶距、不同喷嘴口径工况下的外流场特性，分析各个因素对喷涂作业的影响，为提高船舶喷涂质量和效率提供理论依据。

1 模型建立 1.1 物理模型

喷嘴选择工业上最常用的圆锥收敛型喷嘴，如图1所示。按照实际尺寸，利用Fluent软件中的SpaceClaim进行三维建模。在实际工作中，喷涂的工作需要考虑环境条件、涂料特性、设备选择、工艺参数、安全规范等诸多因素，但在仿真中无法对其进行还原，需要进行适当的简化。同时，将喷嘴的外部流场计算域设定为一个长方体形状，如图2所示。通过改变其靶距（即CD的长度）、压力大小、气扰风速、喷嘴口径（即BG的长度）分析不同参数对射流的影响。表1为喷嘴及流场具体参数。

1.2 数学模型

对于涂料等不可压缩均匀流体的流动，密度项保持恒定，因此上述方程在直角坐标系中转化为微分形式，不可压缩流体的连续性方程在空间直角坐标系中表达式为：

$ \frac{\partial {v}_{x}}{\partial x}+\frac{\partial {v}_{y}}{\partial y}+\frac{\partial {v}_{z}}{\partial z}=0。$

(1)

对于不可压缩流体的N-S方程，在直角坐标系中表达式为：

$ \left\{\begin{aligned}\rho\frac{\mathrm{d}v_x}{\mathrm{d}t}=-\frac{\partial p}{\partial x}+\rho f_x+\eta\cdot\left(\frac{\partial^2v_x}{\partial x^2}+\frac{\partial^2v_y}{\partial y^2}+\frac{\partial^2v_z}{\partial z^2}\right)，\\ \rho\frac{\mathrm{d}v_y}{\mathrm{d}t}=-\frac{\partial p}{\partial y}+\rho f_y+\eta\cdot\left(\frac{\partial^2v_x}{\partial x^2}+\frac{\partial^2v_y}{\partial y^2}+\frac{\partial^2v_z}{\partial z^2}\right)，\\ \rho\frac{\mathrm{d}v_z}{\mathrm{d}t}=-\frac{\partial p}{\partial z}+\rho f_z+\eta\cdot\left(\frac{\partial^2v_x}{\partial x^2}+\frac{\partial^2v_y}{\partial y^2}+\frac{\partial^2v_z}{\partial z^2}\right)。\end{aligned}\right. $

(2)

式中：$ \rho $为涂料密度；$ {f}_{x} $$ {f}_{y} $、$ {f}_{z} $分别为X、Y、Z方向上单位质量流体的体积力；$ {\nu }_{x} $、$ {\nu }_{y} $、$ {\nu }_{z} $分别为X、Y、Z方向上的速度分量；$ \eta $为涂料的运动粘度；$ p $为流体压力；d/dt为物质导数。

由于射流场处于高湍流状态，所以采用标准$ k-\varepsilon $方程。

湍动能$ k $方程：

$ \frac{\partial \left(\rho k\right)}{\partial t}+\frac{\partial \left({u}_{i}\varepsilon \right)}{\partial {x}_{i}}=\frac{\partial }{\partial {x}_{i}}\left[\left(\mu +\frac{{\mu }_{t}}{{\sigma }_{k}}\right)\frac{\partial k}{\partial {x}_{i}}\right]+G-\rho \varepsilon 。$

(3)

湍动能耗散率$ \varepsilon $方程：

$ {\frac{\partial \left(\rho \varepsilon \right)}{\partial t} + \frac{\partial \left({u}_{i}\varepsilon \right)}{\partial {x}_{i}} = \frac{\partial }{\partial {x}_{i}}\left[ \left(\mu + \frac{{\mu }_{t}}{{\sigma }_{\varepsilon }}\right) \frac{\partial \varepsilon }{\partial {x}_{i}} \right] + {c}_{1}\frac{\varepsilon }{k}G - {c}_{2}\rho \frac{{\varepsilon }^{2}}{k} 。}$

(4)

式中：$ k $为湍动能；$ \varepsilon $为耗散率；$ G $为平均速度梯度产生的湍流动能；$ {\beta }_{\varepsilon } $为耗散项；$ {\mu }_{t} $为湍流粘度；$ {c}_{1} $、$ {c}_{2} $、$ {c}_{\mu } $、$ {\sigma }_{k} $和$ {\sigma }_{\varepsilon } $为经验常数。

2 边界条件设置及网格划分 2.1 初始条件及边界条件

本文根据喷涂实际工艺参数设置，以船舶涂装常用的佐敦牌环氧漆为例进行仿真，该种涂料被广泛应用于船舶涂装中^[12]。流体具体参数见表2。

喷嘴及射流区的边界条件设置：inlet1为流体入口，此入口进入的流体为liquid，故将入口设为pressure-inlet（压力入口）；对于外流场边界，考虑到海风的影响，将外流场边界设为inlet2以及outlet，inlet2为海风进口，故将其设为velocity-inlet（速度入口）；outlet为流体出口，将其设为pressure-outlet（压力出口）；将喷嘴外壁以及其他外部区域均设为wall（壁面）。

2.2 网格划分

网格生成的质量是数值模拟应用中除边界条件外的另一个决定性因素^[13]。用Fluent中的SpaceClaim建立喷嘴内部及外部空间的三维立体模型，并在模块中进行前置处理。采用非结构化网格对三维模型进行网格划分，使网格的密度和大小近似保持一致。

2.3 网格无关系验证

为验证网格数量对仿真结果的影响，本文采用喷嘴口径为4 mm、喷涂压力为0.5 MPa、靶距为20 mm、气扰风速为4.4 m/s的条件，以最大冲击速度为指标，进行网格无关性验证。为观察不同网格下的最大冲击速度，可以通过改变网格尺寸来调整网格数量，当网格变化率低于1%时可视为网格数量较为理想，达到网格无关性^[14]。首先选取尺寸较大的网格，其次对网格逐步加密，将6组网格计算结果进行对比，结果如图3所示。通过对比6组不同网格数量下的最大冲击速度值，发现当网格数量超过50000时，冲击速度变化率均低于1%，表明计算结果已趋于稳定，满足网格无关性要求。因此，本文选用网格数量为71230。

3 冲击性能结果对比分析 3.1 不同风速冲击性能对比分析

采用相同的靶距（20 mm×10 mm×10 mm），相同的喷嘴结构尺寸（喷嘴等效口径0.4 mm），相同的压力入口（喷嘴压力入口0.5 MPa）。根据国家风力等级标准^[15]，设置不同的气扰风速，分别为3级、4级、5级。其中，5.4 m/s为3级风上限，5.5 m/s为4级风下限，7.9 m/s为4级风上限，8.0 m/s为5级风下限，风速等级上下限虽数值接近，但属不同风级，有助于分析风速等级变化对射流形态的影响，风速具体参数见表3。得到的速度分布云图如图4所示。

由图4可知，随着风速的增加，射流的方向会发生明显偏移，喷出的流体会被快速吹散，很难保持原本的射流形态，其分布情况难以预测，难以保证射流到达预期的平面。风速3级时，外流场受海风的影响相对较小，射流能保持较为稳定的形态，基本能以平稳的状态冲击靶面。但由于海风的影响，喷嘴喷涂的方向会有所偏移。当风速为4级时，流体的流动方向开始出现较为明显的偏移，呈现出弯曲的形态，使流体难以均匀地喷涂到目标区域。风速5级时，在强烈的风速干扰下，流体受到海风的吹散与剧烈扰动，射流形态发生严重变形，无法保持原本的射流状态。此时，射流的运动轨迹和在空间中的分布情况都变得难以控制，无法正常冲击靶面，难以保证按照预期的轨迹进行喷涂作业，最终影响喷涂质量。因此得出，风速越小，对射流冲击性能影响越小，在实际操作中，应尽可能选择风速较小的环境条件开展喷涂作业。

由图5可知，不同风速冲击上升趋势趋近一致，且最大喷射冲击速度基本一致，为460 m/s左右。在靶距8 cm后，不同风速出现不同的下降趋势，其中，风速为10.7 m/s的下降趋势最为明显。

3.2 不同压力冲击性能对比

采用相同的靶距（20 mm×10 mm×10 mm），相同的喷嘴结构尺寸（喷嘴等效口径0.4 mm），相同的气扰风速（风速4.4 m/s）。常见的工程实践喷涂压力范围为0.3～0.6 MPa，为进一步精确压力对冲击性能的影响，本文将喷涂压力设置至0.7 MPa。设置不同的压力入口分别为0.3、0.4、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7 MPa，得到的速度云图如图6所示。

可知，由于海风的影响，射流的方向和趋势会有所偏移，且在射流后半段会出现明显的旋涡状态，但依然会保持一定的冲击力。随着喷嘴入口压力不断增加，喷嘴外流场速度分布趋势出现了变化。压力越大，喷嘴出口处的速度就越大，射流的核心区就越长。入口压力为0.3 MPa的云图可知，射流的核心区扩散程度较小，且射流分方向会有偏移；压力0.4 MPa射流方向也会被海风所影响，但较压力为0.3 MPa的情况要小，可保持一定的冲击力；在压力0.5 MPa之后，射流可以保持较大冲击力，射流核心区较长，射流方向偏移较小，但压力越大，射流后半段的旋涡状态就越明显。结合工程实际应用，压力为0.5 MPa冲击性能最佳。

由图7可知，在不同压力下，射流场的整体趋势相对一致，但压力越大，对应的喷射冲击速度也越大。在射流冲击速度段，压力为0.7 MPa时，射流冲击速度最大，保持在517 m/s左右；压力为0.3 MPa时，射流冲击速度最小，保持在349 m/s，4种不同压力都在射流冲击后有明显下降。在靶距6 cm后，喷射冲击速度缓慢下降。在理想状态下，压力越大，冲击速度越高。

3.3 不同靶距冲击性能对比分析

采用相同的压力入口（喷嘴压力入口0.5 MPa），相同的喷嘴结构尺寸（喷嘴等效口径0.4 mm），相同的气扰风速（风速4.4 m/s）。设置不同的靶距长度，分别为10、15、20、25 mm，得到的速度分布云图如图8所示。

可知，随着靶距的增加，流体在向外喷射的过程中压力会逐渐减小，射流到达远处时的冲击力会变弱，达不到理想的喷涂效果。靶距10 mm的射流由于流体向外喷射的距离有限，喷射射流的整体较为集中，但在海风作用下，射流后半段会有明显的旋涡扩散情况。靶距15 mm射流的整体效果也较为集中，但射流后半段也会出现较明显的旋涡状态。靶距20 mm的射流较靶距15mm的射流集中效果较差，但在射流后半段旋涡状态较小。在靶距为25 mm时，因为靶距距离过长，冲击力会变得较小，不能达到理想的喷涂效果。因此，靶距在15～20 mm的冲击性能最为理想。

由图9可知，4种不同靶距速度场的整体趋势有较大差别。其中，靶距15 mm冲击速度最大，冲击速度为886 m/s；靶距25 mm冲击速度最小，为276 m/s。靶距20 mm和靶距25 mm在冲击段速度下降较为平缓；随着靶距的增加，冲击速度越来越小。

3.4 不同口径冲击性能对比

采用相同的靶距（20 mm×10 mm×10 mm），相同的压力入口（喷嘴压力入口0.5 MPa），相同的气扰风速（风速4.4 m/s）。设置不同的喷嘴等效口径，口径分别为0.3、0.4、0.5 mm。得到的速度分布云图如图10所示。

可知，在喷涂作业过程中，喷嘴口径与流体扩散程度存在着紧密关联，随着喷嘴口径持续增大，流体向外扩散的范围也越来越大。喷嘴口径为0.3 mm时，由于口径面积偏小，在初始阶段喷出的流体相对较为集中，射流核心区较短；随着流体喷射距离逐渐增加，海风带来的气流干扰，外流场开始发生变形，使流体的流线走向出现改变。当喷嘴口径为0.4 mm 时，流体扩散范围增大，射流核心区变长；射流流体的流向可以保持较稳定形态。当喷嘴口径为 0.5 mm 时，外流场在初始阶段呈现出伞状扩散形态，流体覆盖的面积广泛，但由于海风的影响，射流流体扩散的稳定性容易被破坏。所以，在实际操作中，需要根据现场海风状况适时改变喷嘴参数，如调整喷嘴的倾斜角度、喷射压力等，以此来保障喷涂作业能够顺利达成预期效果。

由图11可知，口径越大，冲击速度越强。口径0.5 mm时冲击力最大，为523 m/s，能够提供较大的冲击力。口径0.4 mm的冲击力较口径0.5 mm的冲击力小，为451 m/s，能保持一定冲击力。喷嘴口径为0.3mm时，冲击速度最小，为315 m/s。

4 结　语

本文利用计算流体力学软件Ansys Fluent对海风气扰下喷嘴外流场进行仿真，模拟了4种不同情况下的喷嘴外流场射流情况，通过改变不同参数，对不同压力情况下、不同靶面情况下、不同风速情况下、不同口径情况下进行了数值模拟，并对其进行分析，得到以下结论：

1）在喷涂压力为0.5 MPa、喷嘴口径0.4 mm、喷射靶距为20 mm的条件下。风速在3级时，射流虽会在一定程度上向某一侧发生偏移，不过能确保冲击到靶面；风速4～5级时，射流偏移的幅度将显著增大，会明显地向一侧大幅偏移，无法保证精准地冲击到靶面，使得涂料无法均匀、有效地附着，影响喷涂质量。

2）在风速为4.4 m/s、喷嘴口径0.4 mm、喷射靶距为20 mm的条件下。对比发现，冲击速度在0.7 MPa最高，但考虑到喷涂稳定性及均匀性，将喷涂压力选择在0.5 MPa，既能保障较好的喷涂均匀性，又可以避免因压力过高引发的射流不稳定问题，确保喷涂作业的效果。

3）在风速为4.4 m/s、喷涂压力0.5 MPa、喷嘴口径为0.4 mm的条件下。靶距过小，射流在冲向靶面时会出现变形情况；靶距过长，冲击力就变弱，不能保证喷涂覆盖是否均匀，从而影响喷涂效果。综合对比喷射靶距对喷涂质量的影响，喷射靶距处于15～20 mm时最合适。

4）在风速为4.4 m/s、喷涂压力为0.5 MPa、喷射靶距为20 mm的条件下。较大的喷嘴口径会使流体过度分散，破坏射流的稳定性。因此，建议优先选择口径为0.4 mm左右的喷嘴来开展喷涂作业，既能确保冲击速度与覆盖范围，又能最大程度降低海风等外界因素对喷涂稳定性的干扰。