雙層氣體保護(hù)TIG焊電弧非平衡特性的數(shù)值模擬研究.pdf

1、焊接電弧作為熱等離子體，一般認(rèn)為其處于局域熱力學(xué)平衡狀態(tài)。然而，等離子中的電子和重粒子質(zhì)量相差較大，平動能量交換率低，在陰極、陽極和電弧的外圍、氣體入口處電子溫度明顯高于重粒子，偏離了局域熱力學(xué)平衡狀態(tài)，有必要采用雙溫度模型來研究等離子的非平衡特性。本文基于雙溫度假設(shè)，針對TIG電弧和雙層氣體保護(hù)TIG電弧，建立了二維軸對稱數(shù)值模型，通過FLUENT軟件對連續(xù)性方程、動量守恒方程、電子能量守恒方程、重粒子能量守恒方程及麥克斯韋方程組進(jìn)行

2、求解，分析電弧等離子體的非平衡特性。
　　首先，對TIG電弧進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了電子和重粒子溫度場、流場、壓力場、電勢場等分布規(guī)律；同時，將計算結(jié)果與Hsu雙溫度模型得到的結(jié)果以及實驗結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果表明：對于TIG電弧等離子體，中心區(qū)域電子溫度與重粒子溫度基本保持一致，滿足局域熱力學(xué)平衡；而在電極附近及遠(yuǎn)離電弧中心的外圍區(qū)域，電子溫度要高于重粒子溫度；模型計算得到的溫度場、流場、電勢場、壓力場與Hsu雙溫度模型的結(jié)果基本吻合，

3、同時等離子體的溫度場與實驗結(jié)果吻合良好。
　　其次，分析比較了氣體流量、電流對TIG電弧特性的影響。結(jié)果表明：隨保護(hù)氣體流量的增加，非平衡區(qū)域略有擴(kuò)大，電弧形貌有一定的收縮，陽極表面電弧壓力峰值增大；電流增加，使等離子體溫度上升，運(yùn)動更加劇烈，陽極表面的電弧壓力和電流密度有明顯的增加，等離子體非平衡程度下降。
　　再次，基于雙溫度假設(shè)，對雙層氣體保護(hù)TIG電弧進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了電子和重粒子溫度場、流場、壓力場、電勢場等分布

4、規(guī)律，重點(diǎn)討論其非平衡特性，并與TIG電弧計算結(jié)果進(jìn)行了對比。同時，分析比較了電流、氣體流量、耦合度、弧長及噴嘴形狀對電弧等離子體非平衡特性的影響。結(jié)果表明：導(dǎo)致等離子體產(chǎn)生非平衡現(xiàn)象的原因是電子和重粒子間碰撞頻率和能量交換率較低，而在高溫區(qū)之所以近似符合LTE假設(shè)就是因為該區(qū)域電子數(shù)密度足夠大，電子、重粒子間的碰撞頻繁，兩者溫度近似相等；隨保護(hù)氣體流量的增加，整個求解域內(nèi)的非平衡現(xiàn)象將更為明顯，內(nèi)外層氣體流量的增加均可使電弧中心滿足L

5、TE的范圍縮小，電弧外圍非平衡區(qū)明顯擴(kuò)大，而對陽極表面無顯著影響；電流的增加，可以擴(kuò)大等離子體的高溫區(qū)，從而增大熱力學(xué)平衡區(qū)，削弱電弧等離子體的非平衡現(xiàn)象；電弧弧長的增加會削弱等離子體徑向上的非平衡現(xiàn)象，同時也使氣體入口處的非平衡現(xiàn)象更加明顯；耦合度對雙層氣體保護(hù)TIG電弧非平衡特性的影響較小，耦合度增加會一定程度上削弱氬等離子體的非平衡效應(yīng)；外噴嘴形狀對電弧的非平衡特性影響主要在于氣體流速與挺度，當(dāng)外噴嘴與水平線夾角變小時，氣體挺度上