基于熱-流耦合的等離子割炬電極結(jié)構(gòu)分析

王仲勛，施樂軍

（1.煙臺職業(yè)學院船舶工程系，山東煙臺264670；2.安徽理工大學機械工程學院，安徽淮南232001）

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基于熱-流耦合的等離子割炬電極結(jié)構(gòu)分析

王仲勛1，2，施樂軍1

（1.煙臺職業(yè)學院船舶工程系，山東煙臺264670；2.安徽理工大學機械工程學院，安徽淮南232001）

摘要：應用計算流體力學的方法，利用CFD軟件SolidWorks FlowSimulation對3種電極結(jié)構(gòu)在充分考慮電極冷卻水流場和溫度場的情況下進行數(shù)值模擬。通過分析不同結(jié)構(gòu)在不同冷卻水流速度下的溫度云圖和溫度曲線圖，確定其最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

關鍵詞：等離子割炬；電極冷卻；熱-流耦合；CFD

等離子切割是現(xiàn)代工業(yè)中最常用的金屬切割方式。作為等離子割炬最重要的組件之一，電極結(jié)構(gòu)及工作機理極其復雜，實物實驗研究難度很大。同時，作為等離子割炬的關鍵元部件，電極對切割效率、質(zhì)量和經(jīng)濟性能有直接影響。電極材料的選擇應考慮電子發(fā)射能力強、導熱導電性能好、熔點高等因素，如鎢、釷鎢、鈰鎢棒、鉿（Hf）、鋯（Zr）及其合金、RE（60%）＋Y2O3（40%）燒結(jié)合金、Ru（80%～85%）＋Y2O3（15%～20%）燒結(jié)合金、Ir（85%）＋Y2O3（15%）燒結(jié)合金等，也可采用鑲嵌式電極。常用的工作氣體有氬氮、氫氮、氫氬、氬、氮、氧、壓縮空氣、氧氣等。本研究工作氣體選用空氣，電極材料為鉿，采用鑲嵌結(jié)構(gòu)，割炬功率較大故選擇直接水冷方式。初定3種電極結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 3種電極結(jié)構(gòu)示意

電極冷卻是考慮流場和溫度場交叉作用的熱-流耦合分析。由于等離子割炬工作原理復雜，實物試驗難以實現(xiàn)，因此進行熱-流耦合分析非常必要。

本文基于CFD（Computational Fluid Dynamics）軟件SolidWorks FlowSimulation對現(xiàn)有3種電極結(jié)構(gòu)進行熱流耦合流場分析，得到多種冷卻水流速度下兩種結(jié)構(gòu)的溫度云圖和軌跡線溫度曲線圖，并對電極結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計。

1結(jié)構(gòu)簡介及幾何模型

等離子割炬電極冷卻水流體流動可用納維爾-斯托克斯方程（1）及能量方程（2）表示

2求解設置及仿真結(jié)果

2.1求解設置

等離子弧工作過程復雜，完全模擬難度較大，且在工作過程中參數(shù)變化很大，仿真分析時對工作狀況簡化非常必要，具體情況如下。

（1）假定電極熱源為表面一個斑點，設其溫度值1 700 K，水冷卻。

（2）入口邊界條件設置為流量入口、入口速度、垂直面、水流速度分別為v=3、8和14 m/s。

（3）出口邊界條件設置為1個標準大氣壓、靜壓、壓力出口。

（4）固體邊界條件vx＝vy＝0。

（5）流體類型和物理特性中選擇固體熱傳導。

（6）Wizard設置為內(nèi)部，計算精度3級，流體與固體初始溫度為293 K，水平均流速及噴嘴平均溫度為收斂目標。

2.2仿真結(jié)果

仿真得兩種結(jié)構(gòu)電極溫度云圖如圖2所示。

圖2電極溫度云圖

仿真得兩種結(jié)構(gòu)軌跡線如圖3所示。

圖3軌跡線

軌跡線1、2的溫度曲線如圖4所示。

圖4軌跡線1、2的溫度曲線

在等離子割炬電極結(jié)構(gòu)中，D處為紫銅，C處為安裝硅橡膠密封圈的在優(yōu)化設計過程中需考慮紫銅熔點（1 365 K）和硅橡膠密封圈（許用溫度500 K）的溫度敏感點。

3種典型結(jié)構(gòu)在不同冷卻水流速度情況下仿真結(jié)果如表1所示。

表1 3種典型結(jié)構(gòu)在不同冷卻水流速度情況下結(jié)果的仿真結(jié)果

2.3結(jié)果分析

對于結(jié)構(gòu)1，查看圖4可知有以下幾種情況。

（1）當電極冷卻水流速度為3 m/s時，C點溫度為560 K（超過了硅橡膠密封圈許用溫度500 K），D點溫度為1 370 K（超過了紫銅的熔點1 365 K），表明達不到冷卻要求。

（2）當電極冷卻水流速度為8 m/s時，C、D兩點均低于溫度敏感點，溫度分別為460 K和1330 K，A點溫度也有明顯下降，冷卻效果改善明顯。

（3）當流速為14 m/s時，溫度下降趨勢較緩，說明繼續(xù)增大冷卻水流速度對此種結(jié)構(gòu)的冷卻效果改善不明顯。

對于結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)3，電極冷卻水流速度為3 m/s時，冷卻效果與結(jié)構(gòu)1冷卻水流速度為8 m/s時相當，均滿足冷卻要求。

3　小結(jié)

本文對等離子割炬電極3種結(jié)構(gòu)冷卻流場進行了熱-流耦合分析。對仿真結(jié)果分析可知，結(jié)構(gòu)1當冷卻水流速達到8 m/s時，能滿足冷卻要求。結(jié)構(gòu)2冷卻水道進口面積比結(jié)構(gòu)1大，故冷卻水流速為3 m/s時，與結(jié)構(gòu)1中8 m/s水流速冷卻效果相當。

由于結(jié)構(gòu)2傳熱壁厚過小，不利于電極熱量的充分擴散，因此導致其冷卻效果的不如結(jié)構(gòu)1電極。同時考慮結(jié)構(gòu)3較復雜，加工工藝性不好。綜合結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2、結(jié)構(gòu)3的優(yōu)缺點，選擇結(jié)構(gòu)1電極作為本設計的電極，建議冷卻水流速度為8 m/s。

等離子割炬電極工作機理復雜，在仿真過程中對熱源做了簡化處理，是否能夠滿足工程設計的需要，還需要大量的實驗工作來驗證。

參考文獻：

［1］王仲勛,趙輝.基于CFD的等離子割炬噴嘴冷卻水道優(yōu)化設計［J］.煤礦機械, 2014（7）: 190- 192 .

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【責任編輯：任小平renxp90@163.com】

“恢復生態(tài)學”專欄征稿

人類在利用和改造自然的過程中，伴生著對自然環(huán)境的負面影響。長期的工業(yè)和農(nóng)業(yè)污染、大規(guī)模的森林采伐以及將大范圍的自然環(huán)境逐漸轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)和工業(yè)景觀，產(chǎn)生了以生物多樣性降低、生態(tài)服務功能喪失為特征的各式各樣的退化生態(tài)系統(tǒng)。面對環(huán)境污染、植被破壞、水土流失和生物多樣性喪失的嚴峻形勢，如何使退化生態(tài)系統(tǒng)得以恢復和重建，受到國際社會的廣泛關注。為拓展對退化生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建的研究，本刊自2010年開辟“恢復生態(tài)學”專欄以來，堅持發(fā)表相關生態(tài)恢復專題的論文，收到了很好的效果，2016年繼續(xù)開辟該欄目，歡迎國內(nèi)外相關研究的專家學者賜稿。聶呈榮教授為本欄目特邀主持人；任小平老師為本欄目責任編輯，投稿郵箱：renxp90@163.com。

佛山科學技術學院學報（自然科學版）

Analysis on plasma cutting gun electrode based on heat- fluid coupled research

WANGZhong- xun1,2，SHI Le- jun1
（1. Department of Shipping Engineering, Yantai Vocational College, Yantai 264670, China; 2. Mechanical Engineering College, Anhui Universityof Science and Technology, Huainan 232001, China）

Abstract:Numerical simulation based on heat- fluid coupled was made on three structures of electrode with CFD software Solid Works FlowSimulation. The best structure was decided base on the path curve of temperature and temperature distribution under different coolingwater velocity.

Keywords:plasma cuttinggun nozzle; coolingon electrode; heat- fluid coupled; CFD

文章編號：1008- 0171（2016）01- 0074- 04

作者簡介：王仲勛（1980-），山東安丘人，煙臺職業(yè)學院講師，安徽理工大學博士研究生。

基金項目：山東省高等學?？蒲杏媱澷Y助項目（J12LB53）

收稿日期：2014-11-27

中圖分類號：TG483

文獻標志碼：A