引入6波段P-1辐射模型的三维空气电弧等离子体数值分析

引入了6波段P-1辐射模型,对三维空气电弧等离子体进行了仿真分析.其特点是不仅考虑了热辐射的发射问题,同时考虑了等离子体内热辐射的自吸收问题.通过计算获得了空气电弧等离子体温度和辐射能量的分布并进行了相应的分析.与净辐射系数方法相比较,P-1模型获得的温度分布较宽,其弧柱电压值更接近于实验测量值.研究表明,6波段P-1辐射模型能够更精确地求解空气电弧等离子体的辐射问题. 关键词： 热辐射 P-1模型 空气电弧等离子体 磁流体动力学     

活性剂等离子弧焊焊接电弧的光谱与热分析

针对活性剂等离子弧焊焊接过程,利用光谱分析方法对活性剂等离子弧焊焊接电弧进行光谱分析,采用红外热像伪着色法测定活性剂等离子弧焊焊接电弧温度场,并建立活性剂等离子弧焊焊接电弧热流密度径向分布模型,对焊接电弧的成分及焊接电弧温度场进行了研究。研究结果表明,常规等离子焊焊接电弧以氩原子和氩一次电离离子的谱线为主,金属蒸气谱线不突出,焊接电弧以气体粒子为主,属于气体电弧;活性剂等离子弧焊焊接电弧的光谱中氩原子及氩一次离子谱线的辐射强度增强,Ti,Cr,Fe金属谱线大量涌现;活性剂等离子弧焊焊接电弧的温度分布比较紧凑,温度场外形窄,温度分布范围较集中,电弧径向温度梯度较大;电弧径向温度分布呈现正态Gauss分布模式。     

双钨极耦合电弧数值模拟

基于流体力学方程组和麦克斯韦方程组, 在合理的边界条件下, 建立了双钨极耦合电弧三维准静态数学模型. 通过对方程组的迭代求解, 获得了不同钨极间距和电弧长度下耦合电弧的温度场、流场、电弧压力和电流密度分布等重要结果, 与已有的实验研究符合良好. 模拟结果表明: 与相同条件下的钨极惰性气体保护焊电弧相比, 双钨极耦合电弧的最高温度和最大等离子流速较低, 阳极表面电弧压力和电流密度峰值明显减小; 钨极间距和弧长对耦合电弧的温度场、流场、电流密度和电弧压力等都具有显著的影响, 且耦合电弧阳极的电弧压力和电流密度分布不能用高斯近似进行描述. 关键词： 耦合电弧 三维模型 数值模拟     

双丝脉冲MIG焊接电弧光谱诊断及热源耦合机理分析

搭建了双丝脉冲MIG焊接试验系统, 为了分析研究双丝脉冲MIG焊接的热源耦合机理以及电弧温度场, 采用光谱技术对其电弧进行了诊断分析, 采用中空探针法进行等离子体的辐射采集, 得到电弧等离子体的光信号, 利用Boltzmann图法计算了双丝脉冲MIG焊接电弧等离子体的电子温度, 得出了电弧等离子体的电子温度分布规律, 并结合电信号采集和高速摄像技术对电弧进行了综合分析。研究创新之处在于结合了电弧的高速摄像图片信息和电弧等离子体的光信号对双电弧耦合机理进行分析, 对电弧温度场进行了较为直观的分析研究。试验结果表明, 在本试验条件下焊接过程实现了推挽式输出, 实现了一脉一滴的过渡方式;两个电弧在焊接过程中在磁场的作用下相互吸引, 向中心发生了偏移, 在双电弧的几何中心形成了新的热源中心, 并且电弧发生上飘现象;双电弧电子温度整体呈倒V型分布, 在双电弧几何中心位置, 距工件表面3 mm的位置电弧电子温度最高, 为16 887.66 K, 比最低温度11 963.63 K高大约4 900 K。     

滑动弧低温等离子体放电特性的数值模拟研究

滑动弧等离子体的电弧温度场、电场和导电区域尺寸是确定电子温度、电子密度、化学反应速率以及能量效率的重要参数.对气流量为1.43 L/min和6.42 L/min时50 Hz交流滑动弧放电的电参数进行了测量;用瞬态的电弧模型描述滑动弧的能量传递,并用近似的介质电导率和热扩散系数对模型进行简化,解决了由于电弧结构变化所导致的移动边界问题;模拟求得等离子体的电弧结构、电场强度和动态温度场等参数的演化.其中,电弧电场的模拟值与实验值基本符合,计算得到电弧轴心温度可以达到5700—6700 K.研究结果表明,气流直 关键词： 滑动弧等离子体 温度场 电场强度 导电半径     

双丝脉冲MIG焊接电弧光谱诊断及热源耦合机理分析

搭建了双丝脉冲MIG焊接试验系统,为了分析研究双丝脉冲MIG焊接的热源耦合机理以及电弧温度场,采用光谱技术对其电弧进行了诊断分析,采用中空探针法进行等离子体的辐射采集,得到电弧等离子体的光信号,利用Boltzmann图法计算了双丝脉冲MIG焊接电弧等离子体的电子温度,得出了电弧等离子体的电子温度分布规律,并结合电信号采集和高速摄像技术对电弧进行了综合分析。研究创新之处在于结合了电弧的高速摄像图片信息和电弧等离子体的光信号对双电弧耦合机理进行分析,对电弧温度场进行了较为直观的分析研究。试验结果表明,在本试验条件下焊接过程实现了推挽式输出,实现了一脉一滴的过渡方式;两个电弧在焊接过程中在磁场的作用下相互吸引,向中心发生了偏移,在双电弧的几何中心形成了新的热源中心,并且电弧发生上飘现象;双电弧电子温度整体呈倒V型分布,在双电弧几何中心位置,距工件表面3 mm的位置电弧电子温度最高,为16 887.66 K,比最低温度11 963.63 K高大约4 900 K。     

电弧增材成形中熔积层表面形貌对电弧形态影响的仿真

电弧增材成形常采用单道多层或多道搭接的熔积方式,不同的熔积方式下对应的熔积层表面形貌不同,从而影响电弧的形态及其传热传质过程.本文建立了纯氩保护电弧增材成形的电弧磁流体动力学三维数值模型,以及不同表面形貌的熔积层模型,并在保持阳极与阴极之间距离和熔积电流不变的条件下,通过模拟计算获得增材成形特有的单道和多道搭接熔积条件下的不同表面形貌对应的电弧形态以及相应的温度场、流场、电流密度、电磁力、电弧压力分布.数值模拟结果表明:平面基板上起弧情况下电弧中心具有较高的温度、速度、电流密度以及压强;单道多层熔积情况下熔积层数对电弧的各个参量影响较小;多道搭接熔积情况下电弧呈非对称分布,电弧中心温度较前两者低,电流密度、电磁力和电弧压强的分布偏向熔积层一侧.     

药芯焊丝脉冲TIG增材制造倒Y形电弧光电特性分析

在药芯焊丝脉冲TIG电弧增材制造过程中,发现了电弧“骑”在成形件两侧的现象,该电弧被称为倒Y形电弧。倒Y形电弧对成形件两侧均有加热作用,其偏移导致成形件两侧受热不均,影响熔覆过程稳定性。按照点阵法测得的光谱数据利用Stark展宽方法计算了倒Y形电弧拖曳部分的电子密度,本研究试验条件下有部分区域（侧壁以外2 mm左右,Z方向0位置以下1.5 mm左右）符合局部热力学平衡条件。利用光谱诊断的Boltzmann图法来计算电子温度,将各点的数据拟合得到完整电弧温度场,分别从平行和垂直于焊枪运动方向分析了熔敷过程中倒Y形电弧的温度场。结果表明,从两个方向光谱诊断得到的倒Y形电弧钨极轴线处的温度最高值均大约为14 000~16 000 K, 分布在钨极端部下方0.5~1.5 mm范围内,电弧拖曳部分的温度大约为5 000~8 000 K。在垂直于焊枪运动方向上,当钨极轴线与熔敷层中心重合时,正常倒Y形电弧及其温度场关于钨极轴线对称分布。当钨极轴线偏移熔敷层中心左侧1 mm时,倒Y形电弧向左发生偏移且温度场也向左发生了偏移,熔敷层左侧温度明显高于右侧温度。在平行于焊枪运动方向,倒Y形电弧温度场扭曲较小,熔敷过程中焊丝从钨极前（左）侧送入,扰动电弧且吸收电弧热量,导致电弧前（左）侧的尺寸和温度均小于后（右）侧,电弧拖曳部分出现了收缩现象。通过分析钨极轴线与熔敷层中心重合以及钨极轴线向左偏移熔敷层中心1 mm的电信号,发现前者的均值电压、基值均值电压、峰值均值电压均小于后者。利用电信号结合高斯热源模型进行分析,在成形件左侧壁相同位置,正常倒Y形电弧的温度和热流密度小于偏移的倒Y形电弧,在成形件右侧壁相同位置则相反,这与光谱诊断得到的温度场分布关系吻合。研究结果对于建立电弧增材制造过程中新的热源模型和过程监控具有重要意义。     

基于光谱诊断的热源间距对激光-脉冲GMAW复合焊等离子体物理特性影响研究

激光电弧复合焊中,热源间距会影响到等离子体物理特性,进而影响到焊接过程的稳定性及焊接质量。 基于Boltzmann作图法和Stark展宽法研究了不同热源间距下的激光-脉冲GMAW复合焊峰值阶段的温度场和电子密度分布,并结合高速摄影手段分析了热源间距对温度和电子密度的影响规律。 光谱诊断结果表明,随着热源间距的增大,激光等离子体的温度和电子密度都没有明显的变化;电弧温度出现下降,电弧电子密度则呈现先增高后降低的趋势。     

等离子弧焊接多物理场耦合输运模型

本文基于电场、磁场、温度场和流场的多物理场耦合,建立了简单实用的电弧与工件一体化模型,既准确表征等离子弧焊接过程中的多物理场输运作用,又无需使用流体体积函数(VOF)计算气液两相界面,大大减少计算时间和成本。模型计算出电弧压力分布,将其简化为压力源项作用于工件表面,同时该界面上电弧与工件耦合传热,实现了电弧与工件的热-力传递。获得了焊接过程电弧和工件的温度、速度、电流密度和电磁力的分布规律,揭示了焊接熔池的形成和演变机制,并开展实验验证了模型的准确性。最后分析了不同工艺参数对电弧热流密度和压力的影响规律,为焊接质量优化提供理论指导。     

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为了提高等离子体废物处理效率,根据磁流体动力学理论,利用计算流体力学软件FLUENT,采用磁矢量势的方法对直流双阳极非转移型电弧等离子体炬进行了二维轴对称数值模拟。计算中采用了SIMPLE算法。数值模拟得到了等离子体的温度、速度等分布。结果表明,等离子体的温度随着轴向距离的增加而减小,随弧电流增加而增加;其速度随着轴向距离的增加而先增大后减小,随弧电流增加而增加;等离子体炬出口处的温度和速度随着径向距离的增加而减小。这些结果与实验结果基本相符。     

Joule heating and viscous dissipation effects on MHD flow past a semi-infinite inclined plate with variable surface temperature

A numerical investigation is performed to study the MHD free convection flow past a semi-infinite inclined plate subjected to a variable surface temperature. The Joule heating and viscous dissipation effects are taken into account in the energy equation. The governing equations of the flow are transformed into a nondimensional form using suitable dimensionless quantities. A fully developed implicit finite-difference scheme of Crank-Nicolson type is engaged to solve the dimensionless governing equations, which is more accurate, fast convergent, and unconditionally stable. The effects of the MHD, inclination angle, power law, Grashof number, Prandtl number, Joule heating, and viscous dissipation effects are studied on the velocity, temperature, shear stress, and heat transfer coefficients during transient periods. It is observed that the MHD has retarding effects on velocity.     

三维燃烧介质和壁面温度的非接触联合重建研究

温度分布在线实时测量对于燃烧过程优化和污染物控制具有重要意义, 针对以往非接触三维温度分布重建过程的耗时性问题和忽略壁面辐射的不足, 本文提出了一种新的离散重建模型, 用于三维吸收、 发射和散射性高温燃烧介质以及壁面温度的快速联合非接触测量. 该模型以四个CCD(Charge Coupled Device) 为测量传感器, 通过构建辐射逆问题求解方程, 从CCD输出的辐射投影图像重建温度分布. 介质中不同投影方向内的辐射传递过程通过离散传递法来描述, 介质的散射和壁面反射则通过离散坐标法来近似. 离散后计算局部辐射强度的病态方程通过最小二乘余量法来求解, 论文对其计算速度进行了优化. 通过非对称温度分布测量算例分析了该模型的有效性, 讨论了测量噪音、 介质和壁面辐射特性对重建精度的影响, 并与其他方法对比分析了模型的重建速度. 计算结果表明本文提出的离散模型可以有效地用于大型高温燃烧介质和壁面温度分布的联合非接触测量. 即使在有噪声的情况下, 该模型也能获得准确的测量结果, 与其他计算方法相比, 采用改进的最小二乘余量法, 能有效地提高温度分布的重建计算速度.     

谐振管中混合工质的热声分离效应

本文在可压缩SIMPLE算法的基础上,基于先求解二维热声谐振腔内的速度场和温度场,然后利用求出的速度和温度值求解组分浓度场的思路,对混合工质的热声分离现象进行了数值研究。研究结果表明:在热声效应和热扩散效应共同作用下,声波能够将混合物中的两种气体分别泵向谐振腔的压力腹点和节点,使得混合气体在声波传播方向上逐渐分离。另外,通过考察5种不同管径下谐振管内径向浓度的变化规律,详细研究了浓度边界层在径向上的影响范围以及不同管径下的分离效率,并提出最佳管径应为16倍浓度渗透深度左右。     

Numerical investigation of electro hydrodynamics (EHD) enhanced water evaporation using Large Eddy Simulation turbulent model

In this paper, the electric field effect on enhancement of the water evaporation rate in a channel is numerically investigated. The coupled equations of electrical field, flow field, temperature field and species concentration fields are discretized using Finite Volume Method (FVM) and the implicit/hybrid difference form. This equations are solved via SIMPLE algorithm and the Kaptsov hypothesis. The turbulent flow is modelled by Large Eddy Simulation (LES). The numerical results show that the water evaporation rate is increased with the presence of electric field, but the effect of electric field is diminished at high Reynolds number.     

三温方程中的电子-辐射能量交换项的计算

讨论了激光靶耦合数值模拟中电子-辐射能量交换项的处理。为了克服它给三温方程求解带来的困难,在非平衡区(T_e>T_r)和接近平衡区(T_e~T_r)采用了不同的能量交换项形式。此外,由于接近平衡时的能量交换项用辐射平均自由程表示,避免了此时计算束缚电子占据概率不准确的问题。     

Hagen-Poiseuille-Strömung in wandstabilisierten zylindersymmetrischen Lichtbögen

The purpose of this paper is to examine the properties and parameter dependences of the electrical, thermal, dynamical and radiation quantities of a Hagen-Poiseuille flow in a cylindrical wallstabilized electrical arc. The basic equations are derived from the single fluid model of plasma physics taking into account the special arc conditions. For this flow it is outlined, that the temperature distribution and hence the electrical and radiation quantities do not depend upon the dynamical entities in the considered parameter region. The determination of these functions can be performed in the same way, which is demonstrated for the electrical arc without convection in a previous paper. Knowing the temperature distribution it is possible to calculate the dynamical quantities, which are modified by the temperature field of the arc contrary to the isothermal flow. Corresponding to this they have different parameter dependences as shown by analytical and numerical treatment for a nitrogen and an argon arc.     

Experimental and theoretical investigation of high-pressure arcs.II. The magnetically deflected arc (three-dimensional modeling)

While Part I deals with cylindrical arcs, Part II studies the influence of transverse magnetic fields on the arc column for ambient pressures of 0.1-5.0 MPa. If exposed to a magnetic induction of several millitesla, the column of an arc is deflected by the Lorentz forces. In this paper, heat transfer and fluid flow with coupled electromagnetic forces are modeled for the magnetically deflected arc. To verify the predictions, the three-dimensional temperature distributions of the arc column are determined by line and continuum radiation measurements using tomographic methods. These temperature maps are compared with the results of the numerical simulations. To gain insight into the physical professes of the discharge and to make the arc properties available which are not readily measured, a self-consistent numerical model of the arc column is applied to the time-dependent and three-dimensional case. The temperature, velocity, pressure, and current densities are predicted by solving the conservation equations for mass, momentum, and energy, and Ohm's and Biot-Savart's law using material functions of the plasma. A control volume approach facilitates a numerically conservative scheme for solving the coupled partial differential equations. The predictions are in fair agreement with experimental results. A time-dependent fully implicit simulation of the arc was used to investigate the arc instabilities for large magnetic inductions     

Effect of melting heat transfer and thermal radiation on Casson fluid flow in porous medium over moving surface with magnetohydrodynamics

In this study, the effects of variable fluid properties on heat transfer in MHD Casson fluid melts over a moving surface in a porous medium in the presence of the radiation are examined. The relevant similarity transformations are used to reduce the governing equations into a system of highly nonlinear ordinary differential equations and those are then solved numerically using the Runge–Kutta–Fehlbergmethod. The effects of different controlling parameters, namely, the Casson parameter,melting and radiation parameters, Prandtl number,magnetic field, porosity, viscosity and the thermal conductivity parameters on flow and heat transfer are investigated. The numerical results for the dimensionless velocity and temperature as well as friction factor and reducedNusselt number are presented graphically and discussed. It is found that the rate of heat transfer increases as the Casson parameter increases.     

双头部燃烧室两相燃烧流场数值研究

本文在贴体坐标系下对双头部火焰简内三维两相紊流燃烧过程进行数值模拟,采用代数雷诺应力模型模拟紊流粘性、EBU-二阶矩模型模拟燃烧反应速率、六通量辐射模型考虑热辐射对燃烧流场及火焰筒壁温的影响.分别运用颗粒轨道模型与颗粒随机轨道模型研究燃烧室内气液两相流动与燃烧过程,将所得出口温度分布与实验结果进行比较,均较为相符.