GTAW电弧温度场与流场数值模拟
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麦克斯韦方程
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第 4’ 卷
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/231456, 是英国帝国理工学院 R g ,@7;G<CF 教授所创立的 62-. 公司的主要产品 $ 该软件应用
$# 通过计算 # 给 出 了 自 由 燃 烧 CIB 电 弧 的 温
度场 #流场和压力场的分布情况 " 分析表明本计算结 果与文献测量结果吻合良好 "
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图4 电弧轴向的速度场分布
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计算结果与讨论
图 - 为电弧温度场分布的计算结果 " 电极阴极
尖端前沿温度最高 !达到 -% ))) C" 电弧在电磁力的 作用下呈收缩态 " 温度场从阴极区向阳极区逐步扩 大 !温度分布也逐渐平缓 "轴向温度值随着离阴极距 离的增大而递减 " 这与 ;"00"0 D > 的实测结果一 致5%’9"
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欧姆定律
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安培定律
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网格剖分与数值计算
采用了 :;<=>?@A 对以上建立的数学模型进行
求解 ! 求解区域采用贴体坐标系 !6)(6) 网格剖 分 " 当所有控制方程的参差继续下降!而所选用网格点处 的流场速度值变化不大时1该收敛准则为 :;<=>?@A 软件的默认收敛准则B!认为整个迭代过程已经收敛"
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数学模型
基本假设
电弧是轴对称的 ! 计算将采用柱坐标系 " 弧长
有限容积法来实现控制方程的离散化 & 对于强烈耦 合的流场和压力场 & 采用 ,5./01,I 算法来求解其 代数方程组 $ 在此利用 /231456, 软件 &并对其进行 了二次开发 & 编制 F8:DCG 子程序 & 添加了边界条件 和 源 项 $ 对 自 由 燃烧的 JI-] 电弧的等离子体行 为进行数值模拟 $ 在二维坐标下 &通过欧姆定律和安 培定律计算了电流密度和自感应电磁场 & 从而得出 了电磁力和焦耳热 & 计算出电弧的温度场和流场的 分布 $
动 !计算了电弧温度场和速度场的分布 $ 方程的求解采用以 ,-./01 算法为基础编写的通用热流计 算软件% %% /231456,#/7879:;<= >?@A89:;<= :8 A;;<@B<= CDEA8<=7; <CBAF87B<:C =:GA HA8<AH+$计算的条件为 电弧电流 "’’ - &弧长 !’ EE& 氩气作保护气体 $ 计算得到的电弧温度’流体速度和电势分布与文献报 导的测量结果吻合良好 $
的形式分别载入轴向和径向动量方程中的 " 电弧能 量控制方程中焦耳热和电子运动引起的能量输送 相也包含了 ., 和 .." 因此需要求解相应的电磁场方 程# 电流连续方程
图!
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控制方程中的源项分别如表 ! 所示 # 表 ! 控制方程中的源项
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出了三维尺寸下的计算结果c%d$.7H7: SH><:’武传松和 雷永平等人分别对稳态下的 JI-] 电弧和熔池的流 场和温度场进行了耦合计算cNf!’d$董红刚利用 /231456, 对固定电弧等离子弧焊接热传导进行了数值计算c!!d& 张瑞华用该软件模拟了焊接过程非稳态的熔池温 度场分布c!"d$
图’
电弧的流场流态
和阴极区分别呈现较大的压力分布 ! 而远离这 - 个 区域!压力相应的减小 " 这一结果与文献549的计算结 果是相吻合的 "
图 - 电弧温度场分布
图 4 为电弧轴向的速度场的计算结果 " 等离子 体在自感应电磁场的中受到向阳极试板的电磁力 ! 磁场强度在阴极尖端附近最大 ! 速度场强度在电弧 阴极与阳极间最大 ! 远离这个对称轴则流速逐渐降 低 " 在电弧阴极的侧面 ! 速度是与坐标轴是反向的 ! 因为电弧的高温区域出现在阴极前端 ! 自然对流加 上电磁力使得该区域的速度呈现负值 " 图 ’ 为电弧 流场的流态 !箭头方向为流体的流动方向 "在阴极区 周围的层流性不好 ! 电极端头附近的少量气流是沿 着电极向上流动 !形成一个漩涡流 " 图 2 为电弧压力场的计算结果 ! 电弧的阳极区
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序言
JI-]LJ7H IDCFHBAC -8= ]A;G<CF+ 电 弧 燃 烧 过
程是一个非平衡的 ’ 瞬时的 ’ 极不均匀的物理化学 过程 &它涉及电弧物理 ’ 辐射和热力学等方面 $ 由于 弧光的干扰 &焊接过程的实时检测与监控变得困难 & 数值模拟是有效研究方法 $.7H7: SH><: 等人早在
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电弧的流场流态
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图 - 电弧温度场分布
图 4 为电弧轴向的速度场的计算结果 " 等离子 体在自感应电磁场的中受到向阳极试板的电磁力 ! 磁场强度在阴极尖端附近最大 ! 速度场强度在电弧 阴极与阳极间最大 ! 远离这个对称轴则流速逐渐降 低 " 在电弧阴极的侧面 ! 速度是与坐标轴是反向的 ! 因为电弧的高温区域出现在阴极前端 ! 自然对流加 上电磁力使得该区域的速度呈现负值 " 图 ’ 为电弧 流场的流态 !箭头方向为流体的流动方向 "在阴极区 周围的层流性不好 ! 电极端头附近的少量气流是沿 着电极向上流动 !形成一个漩涡流 " 图 2 为电弧压力场的计算结果 ! 电弧的阳极区
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序言
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