非转移弧等离子体炬传热与流动的数值模拟

摘 要 ：以 非 转移 弧 等 离子 体 炬 为 研 究 对 象 ，对 等 离子 体 电弧 和 阳极 的 传 热 与 流动 进 行 了数 值 模 拟 。并 求 解 了质 量 方 程 、 动 量 方 程 、 能 量 方 程 、 电 势 方程 和 磁 场 方 程 ，获 得 了等 离子 体 弧 的 温 度 、速 度 和 电 流 密度 分布 。计 算 结 果 表 明 ， 阳极 内壁 面 温 度 变 化 不 大 ；等 离子
研 究还 比较少 。
０ 概 述
本文 以非转移弧等离子体炬为研究对象 。在模型建 立 和计算 过程 中 ，同时考虑 到等离 子体 电弧和 阳极 区 域 ，研究 了在这种状态下等离子体炬 出口处 的温度和流 动状态 ，使计算条件更加接近实际情况 ，为更加深入地 分析非转移弧等离子体炬提供 了一些新 的参考数据 。
焊 接技 术
第３ ９卷第 ７期 ２ １ ０ ０年 ７月
非 转 移 弧 等 离 子 体 炬 传 热 与 流 动 的 数 值 模 拟
韩 海玲 一 ， ，李 德 元 ，董 晓强
（． 阳工业 大 学 材 料科 学 与上 程 学 院 ．辽 宁 沈 阳 １ ０ ７ ；２辽 宁 省交 通 高 等专 科 学 校 机 电 系 ，辽 宁 沈 阳 １ ０１２） １沈 １８ ０ ． １ ２
电弧斑 点 位置等 非 常 困难 。随着 电子 计算 机 的发 展 ， 采 用数值模 拟方法对 等离 子体炬 的物理过 程进行 数值 模 拟成 了一 种经济 、有效 的手段 。首先是 澳大利 亚 的
Ｓ ｏ 对 非转 移弧 的等 离 子体 炬进 行 了 系统 的研 究 口， ｃｔ ｔ ］
① 电弧等离子体是轴对称的 ，计算时采用二维柱坐 标 ；② 电弧 等 离 子 体 处 于 局 域 热力 学 平衡 状 态
丢 （ ）一 ＋ ：＋ ＝（警） ） ， Ｆ ０
旦
ｆ
ｒ Ｏ
（警１ ＼ ｆ ，Ｓ ｒ， Ｆ ／
（ １ ）
有 了很 大 的改 进 。加拿 大 的 Ｂｎｉ 虑 了等离 子体 转 ｉｉ 考
移弧 的电弧 、阴极 和阳极 的模 型 ，考虑 了电极 的热传
式 中， ， ，５ 表 的物理含义如表 １ 中的方程 （ ）～ ２
等 离 子 体炬 已被 广 泛 应用 于等 离 子 弧 焊 接 、喷 涂 、堆 焊 、切 割 、表 面强 化 、熔炼 等 材 料 加工 方 法
中 。对等 离子体炬 内的物 理过程 的研究 有助 于更 好地 控 制和利用 等离子 体炬 。由于等离 子体炬 内部存 在着 电磁场 、电极过程 、导 电流体 以及 传热传 质之 间的复
Ｗｅｄｎ ｅ ｈ ｏｏｙ ｌｉｇＴ ｃ ｎ ｌｇ Ｖｏ．９ １ Ｎｏ７ Ｊ １ ２ １ ３ ． ｕ． ０ ０
・ 验 与 研究 ・ １ 试 ３
压 方程 ，其 中能量方 程 的对 流项被 忽 略 ，源项 只考 虑
焦 耳热 。
表 １ 守 恒 方 程 岛
和 由阳极 压 降 、金 属溢 出功 以及 汤姆 逊效应 产生 的热
杂 相互作用 ．对其 内部等 离子体物 理过程 的研究非 常 困难 。同时 ．由于等离 子体炬 内部空 间狭小 、温度很 高 ，采用 试验手 段测量其 内部 的温度 、速度分 布 以及
１ 物 理 模 型
１１ 基本假 定 ．
考虑 到 磁流 体 的运 动特 点 ，本 文采 用 如下 假设 ：
（Ｔ ） Ｌ Ｅ ，等离子体流动是稳定的层流流动 ； 电弧等 ③
离 子体 是 光 学 薄 的 ；在 １ ｌ ａ 气 环 境 下 ，忽 略 ｘＯＰ 氩
考虑 了等 离子气体 电弧 和射 流 区域 的 Ｋ ８湍流 模型 。 一 美 国的 Ｓｅｅｙ 阴极 为 平 头 的层 流 等 离子体 电弧及 ｚｋ ｌ 对
量 ｑ，公 式 如 下 ：
ｑｊ ｚ ＝・
０ ｊＢ ・
・ ： ・Ｂ・ ・ ／ （ ｛ ｆ
／ ｐ
体 炬 出 口处 径 向 温度 和 速 度 分布 类 似 抛 物 线形 分 布 ；提 高进 气速 度 或减 小 电弧 电流 ． 均使 得 电弧 阳极 斑 点 向下 游 移 动 。
关键 词 ：等 离 子体 炬 ；非 转 移 弧 ； 阳极 ； 数值 模 ：０ ４ ． ２ ２１ 文献 标 志 码 ：Ｂ
等离子 体流动 的可压 缩性 ，等离 子体 的热力学性 质和
输 运性 质仅与温 度相关 ；④ 忽略 电弧 自感应 电场 和重
力 场的影 响 。
１ 控 制方程 ． ２
基 于以上假 定 ，采 用柱 坐标 （，ｚ ） ｒ ，０ ，得 到如
下 的通 用 形 式 ：
考 虑 了 电极 和电 弧有 能 量 传 导 的模 型 。法 国 的 Ｌ ｇ ａｏ 模拟 了 自由燃烧 电弧和 阳极 区域 ，考 虑 电极上 有能量 方程和 电压方 程 。该 文献对 电弧 的物 理过程 的研究 Ｊ
导 和电传导 。 目前关 于非转移 弧 的电弧和 电极 模 型的
收 稿 日期 ：２ １ — ２ ０ ０００—８
（） ６，其中， 一ｏ ｑ， ＝ｖ ７ ＇￣ Ｖ 一 ，百 ｖ 。 ×
另外 ，电弧 区域 需要 求解 质量 、动 量 、能量 、电 势和磁 场平衡 方程 ；电极 区域需 要考虑 能量方 程和 电
射流 区域进 行 了研究 。随 着研究 的深 人 ， 自由燃烧 ］ 电弧 模 型开 始考 虑 了 电极 ，Ｚ ｕＰ ｉ ａ ｈ ｅｙ ｎ研 究 了 自由 ｕ 燃 烧 电弧 、阴极 鞘层 和 阴极 区域 。Ｌ ｗ ｅ研 究 了 自 ｏｋ
由 燃 烧 电 弧 、 阴 极 和 阳 极 区 域 的 模 型 川。 文 献 ｆ — １ ３ ４
使一定尺寸的试样经历与焊接过程相同的热循环使模拟试样的金相组织与所研究的焊接热影响区的特定区域的组织相同使焊接haz各狭小的特定温度区域得以放大为各特定温度区的组织及性能研究提供了可能性13
１ ・ 验 与研 究 ・ ２ 试
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