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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等人将自由燃烧电弧中的热辐射 ’ 流场 ’ 温度场进 行了耦合分析计算cPd$ / Q8AB:C>A 和 e e J:CW7;AH 给
收稿日期 !"’’*K’"K!% 基金项目 ! 教育部春晖计划资助项目 作 者 简 介 ! 樊 丁 L!‘P! %a&男 & 甘 肃 合 水 人 & 教 授 & 博 士 生 导
师 &主 要 从 事 焊 接 物 理 ’ 新 型 焊 接 方 法 以 及 焊 接 智能控制等方面研究工作 $
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樊
丁等 &EF%G 电弧温度场与流场数值模拟
Байду номын сангаас
第8期
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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
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 $
Q-4 R<CF!&RS 2D7T?DC!&"&U2-4J VD<T>D7! L!)07CW>:D SC<XA8H<B? :Y IA=>C:;:F?&,B7BA ZA? 079:87B:8? :Y J7CHD 4A[ 4:CTYA88:DH .AB7; .7BA8<7;H &07CW>:D %&’’(’&6><C7"")6:;;AFA :Y .7BA8<7;H ,=<AC=A 7CG 1CF<CAA8<CF &I7<?D7C SC<X) :Y IA=>)&I7<?D7C ’&’’"*&6><C7+ -9HB87=B # 5C B><H 78B<=;A &7 HBA7G? B[:TG<EACH<:C7; L"R+7\<H?EEAB8<= E:GA; >7H 9AAC GAXA;:@AG <C :8GA8 B: <CXAHB<F7BA >A7B 7CG Y;D<G
# 图2 电弧的压力场分布
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樊
丁等 $BCDE 电弧温度场与流场数值模拟
第.期
图 ! 示出了电弧对称轴线上的电弧压力 ! 电势 ! 速度和温度分布情况 " 电弧的阴极尖端在轴向距离 的 "#$ %% 处 # 图中可以看出尖端电势为 &’"(! )# 在
ZA? [:8GH#JI-]T78= "CDEA8<=7; H<ED;7B<:C "/231456, H:YB[78A"BAE@A87BD8AT@8:Y<;AH"Y;D<GT@8:Y<;AH
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
$# 通过计算 # 给 出 了 自 由 燃 烧 CIB 电 弧 的 温
度场 #流场和压力场的分布情况 " 分析表明本计算结 果与文献测量结果吻合良好 "
"*$+,*, %% 的阴极范围内有较快的阴极压降 # 随后
! &! "’( ! ! &! #$)*"" !! # !#
式中
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边界条件
" "$ 分别是等离子体轴向和径向的速度 #
动量守恒方程的径向表达式
$ ! & !" (" !" ($ !" )*&,- !’ (" & ! " ( !% !# !! !# !#$ ! !" - " ( !$" )" &$) # !# #$ !!$
关键词 (I5J 电弧 "数值模拟 "/231456, 软件 "温度场 "流场 中图分类号 #IJ*’" 文献标识码#文章编号#!’’!K"&’&L"’’*M’NO’’’PO’*
! " # $ % % & ’ ( ! " ) *
!"#$%&’() *&+")(,&-. -/ ,0$ 1%-/&)$* -/ ,$+1$%(,"%$ (.2 /)"&2 &. 34567(%’
二维的自由燃烧电弧如图 ! 所示 " 电极锥角为 5"A"425674 是求解区域 #
轴向表达式
$ ! & !$ (" !$ ($ !$ )*&.- !( (" + ! $ ( !% !# !! !! ! #$ ! !$ ( !$$ )" # !# !!$
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能量方程
! )0+ !* (" !* ($ !* )* ! ++ !* )( !! !% !! !# !! ! ! ++# !* )(, " +1) # !# !# $ $ ,* -. (., ( 2 +3 +.. !* (., !* ’-04# +2’ # $ / !! !# 式中 ! 为密度 !" 为粘性系数 !)0 为比热 !+ 为导 热系数 !* 为温度 !( 为压力 !+3 为波尔兹曼常数 !1, 和 &. 分别表示体积力 "也就是电磁力在径向和轴向 上的分量 !, 为热源项 !04 为辐射热损失 !..$., 分别 为电流密度在 # $! 方向的分量 # 电弧的控制方程中 的 电 磁 力 是 以 ., 2" 和 -..2"
第
&* 卷 第 N 期 "’’* 年 N 月
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1;A=B8<= !"# ]A;G<CF .7=><CA
b:;)&* 4:)N -DF)"’’*
!"#$ 电弧温度场与流场数值模拟
樊 丁 !!杜华云 !!"!张瑞华 !
#!$ 兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料国家重点实验室 ! 甘肃 兰州 %&’’(’"") 太原 理工大学 材料科学与工程学院 !山西 太原 ’&’’"*+ 摘要#基于自由燃烧的钨极氩弧焊电弧建立了二维稳态的轴对称模型 !研究了电弧的传热和流体流
!‘N" 年就对焊接电弧的传热过程进行了分析计算c!d$ e e 0:[_A 和 0),7CH:CCACH 等人计算了双极扩散作
用下的自由燃烧模型c"d$ 樊丁和陈剑虹等人建立了较 完善的焊接电弧传热传质过程的数学模型 & 考虑了 紊流 &得出的温度场流场与实际相接近
c&f(d
/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
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