Ar-O2混合氣體電弧的數(shù)值模擬*

王新鑫 遲露鑫 伍光鳳 李春天 樊丁

1) (重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400054)

2) (重慶市特種焊接材料與技術(shù)高校工程研究中心,重慶 400054)

3) (蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,蘭州 730050)

4) (省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730050)

1 引 言

電弧是焊接制造中應(yīng)用最廣泛的一類熱源,在采用混合氣體保護(hù)進(jìn)行焊接時(shí),表現(xiàn)出諸多優(yōu)點(diǎn),如提高陽(yáng)極熱流密度[1]、促進(jìn)熔滴過(guò)渡和穩(wěn)定電弧[2,3]、增加熔深[4]和改善焊縫性能[5]等.隨著對(duì)混合氣體電弧特性認(rèn)識(shí)的深入,研究人員提出了多種高效焊接方法[6-9],明顯地提高了焊接生產(chǎn)率,推動(dòng)了焊接制造的發(fā)展.對(duì)這些方法的研究已經(jīng)取得了許多成果.但是,電弧的燃燒伴隨著熱、力、電、磁、光和聲等一系列復(fù)雜現(xiàn)象的產(chǎn)生,且焊接電弧和熔池尺寸較小,給實(shí)驗(yàn)研究帶來(lái)了一定的困難.電弧本質(zhì)上是一種等離子體,在微觀上還有亟待解決的理論問(wèn)題,但是在宏觀上,將其視作連續(xù)性介質(zhì)并做合理的簡(jiǎn)化,研究其宏觀性質(zhì)仍然具有重要的實(shí)際意義.

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和數(shù)值計(jì)算理論的逐步完善,數(shù)值模擬已經(jīng)被越來(lái)越多地應(yīng)用于科學(xué)研究與工程領(lǐng)域.對(duì)于電弧等離子體的數(shù)值模擬,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在基于局域熱平衡的基礎(chǔ)上,報(bào)道了眾多研究成果[9-20].進(jìn)一步地,研究人員考慮了電弧的非平衡過(guò)程,建立了雙溫度模型[21-23],甚至包括了化學(xué)非平衡的影響和電極鞘層區(qū)[24-28].這些模型避免了平衡態(tài)假設(shè),更加接近物理實(shí)際,得出了許多重要的新結(jié)論,使人們對(duì)電弧等離子體的認(rèn)識(shí)更加深入.Zhang等[29]和Li等[30]針對(duì)眾多雙溫度等離子體模型存在較大差異的問(wèn)題,提出了一種自洽的數(shù)值計(jì)算模型,但并不增加其復(fù)雜性,同時(shí)也包括了輸運(yùn)系數(shù)的計(jì)算.值得注意的是,由于電弧等離子體的高溫使得陰極或者陽(yáng)極材料蒸發(fā),產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入電弧會(huì)對(duì)電弧行為產(chǎn)生影響,這種混合的等離子體特性受到越來(lái)越多的關(guān)注[31-35].而對(duì)于混合氣體電弧,研究人員一般將其簡(jiǎn)化為均勻混合的等離子體,并得到了有意義的結(jié)果.Savas和Ceyhun[36]在假設(shè)Ar-H2氣體混合均勻的基礎(chǔ)上,研究了混合氣體的電弧特性; Wang等[37]研究了保護(hù)氣體中CO2濃度對(duì)熔化極氣體保護(hù)焊電弧行為的影響,同樣沒(méi)有考慮混合氣體電弧中CO2組分的分布; 類似地,Murphy等[1]研究了Ar-H2,Ar-He,Ar-N2等多種混合氣體電弧的特性,Rao等[38]研究了不同混合濃度的Ar-He熔化極氣體電弧的特性.

盡管這些研究已經(jīng)得到了比較精確的結(jié)果,但是,假設(shè)混合氣體電弧各組分均勻分布,這些研究就不能反映混合氣體電弧發(fā)生的實(shí)際的物理過(guò)程,從而也不能揭示混合氣體改變陰極和陽(yáng)極行為更本質(zhì)的原因.Murphy[39]的研究表明,混合氣體組分在電弧中分布并不均勻,出現(xiàn)明顯的分層,Murphy和合作者[40,41]考慮了多種混合氣體電弧由于濃度梯度、溫度梯度、電場(chǎng)強(qiáng)度等因素導(dǎo)致的組分之間的擴(kuò)散行為,對(duì)混合氣體電弧特性進(jìn)行了深入研究,獲得了一系列重要的結(jié)果.Bitharas等[42]考慮了熔化極氣體保護(hù)焊時(shí)空氣環(huán)境對(duì)電弧的影響,發(fā)現(xiàn)氧在電弧及其周圍區(qū)域也呈現(xiàn)非均勻分布的特征.黃勇等[43]研究了氧在電弧氣氛中的分布,探討了O2流量對(duì)氣體熔池耦合活性鎢極惰性氣體(tungsten inert gas,TIG)電弧行為的影響,但是忽略了氧濃度隨溫度變化而造成的氧擴(kuò)散過(guò)程.Chen等[44]對(duì)Ar/O2電感耦合等離子體的特性進(jìn)行了模擬研究,楊郁等[45]對(duì)甚高頻的Ar/O2容性耦合等離子體的電負(fù)特性進(jìn)行了研究.但是,電感耦合等離子體和容性耦合等離子體放電形式與電弧不同; Murphy[39,40]的研究中電流都為200 A,也沒(méi)有在模型中包括陰極,有關(guān)不同電流下的研究結(jié)果還未見報(bào)道,由于電流對(duì)電弧溫度場(chǎng)和流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生明顯的影響,進(jìn)而可能改變混合組分在電弧氣氛中的分布.而混合組分在電弧氣氛中的分布與其在陰極和陽(yáng)極的分布密切相關(guān),最終影響焊接穩(wěn)定性、焊縫成形和接頭質(zhì)量[2-9].因此,對(duì)混合氣體電弧的行為做進(jìn)一步的研究,不僅有助于理解混合氣體電弧的物理本質(zhì),也有助于深入認(rèn)識(shí)混合氣體組分對(duì)陰極和陽(yáng)極的作用機(jī)制,為更有效地利用混合氣體電弧和實(shí)現(xiàn)高效焊接提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)借鑒.

本文針對(duì)Ar-O2混合氣體電弧,采用磁流體動(dòng)力學(xué)方程組描述混合氣體電弧,采用組分輸運(yùn)方程描述氧的傳質(zhì)過(guò)程,建立了Ar-O2混合氣體電弧的穩(wěn)態(tài)軸對(duì)稱二維數(shù)學(xué)模型,求解得到了不同電流條件下混合氣體電弧的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和氧組分的分布等結(jié)果,并研究了氧對(duì)電弧溫度場(chǎng)和流場(chǎng)等電弧特性的影響.數(shù)值計(jì)算結(jié)果與已有的研究結(jié)果吻合良好.

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 方程描述

由于Ar-O2混合氣體電弧中存在兩種組分的陽(yáng)離子(Ar+,Ar++,Ar+++,O+,O2+,O++,O+++)、原子(Ar,O)、分子(O3,O2,)、負(fù)離子(O2-,O-)和電子等眾多等離子體成分,對(duì)其單獨(dú)采用守恒方程描述將會(huì)使模型極其復(fù)雜,這種復(fù)雜性一方面體現(xiàn)在物性參數(shù)的計(jì)算,尤其是擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算[39-41,46-47],另一方面還體現(xiàn)在對(duì)多組分多離子系統(tǒng)采用自洽的守恒方程進(jìn)行準(zhǔn)確的描述[29,30,39-41,46-47].為簡(jiǎn)化描述混合氣體電弧,本文采用Murphy提出的方法[40,46],即假定等電弧離子體仍然滿足局域熱平衡狀態(tài)(local thermodynamic equilibrium,LTE),將多種等離子體成分簡(jiǎn)化處理為二元組分混合物.本模型中,一種為氬組分,另一種為氧組分,兩種組分之間的擴(kuò)散通過(guò)組合擴(kuò)散系數(shù)方法描述,從而可以采用磁流體動(dòng)力學(xué)方程組描述混合氣體電弧.除假設(shè)混合氣體等離子滿足LTE之外,還假設(shè)等離子流動(dòng)狀態(tài)為層流且滿足光學(xué)薄性質(zhì)[10]; 作為初步的研究,模型未包括陽(yáng)極并忽略陽(yáng)極金屬蒸汽的影響; 忽略黏性效應(yīng)導(dǎo)致的熱損失和重力影響[10].描述電弧等離子體的磁流體動(dòng)力學(xué)方程組包括連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程電磁學(xué)方程[1,10-20].

連續(xù)性方程

動(dòng)量守恒方程

能量守恒方程

其中ρ為密度,t為時(shí)間,v為速度矢量,P為壓力,τ為黏性應(yīng)力張量,表示為

式中μ為動(dòng)力黏度,vi為xi方向的速度分量,j為電流密度,B為磁通密度,T為溫度,cP為等壓比熱,k為熱導(dǎo)率,S為熱源項(xiàng),且由下式給出:

其中σ為電導(dǎo)率,kB為玻爾茲曼常數(shù),e為電子電量,εn為凈輻射系數(shù).(5)式中三項(xiàng)分別表示焦耳熱、電子焓和輻射熱損失.

本模型所用的電磁學(xué)方程如下:電流連續(xù)性方程

歐姆定律

磁矢勢(shì)泊松方程

磁通密度

其中Φ為電勢(shì)，μ0為真空磁導(dǎo)率,根據(jù)(6)式-(9)式,可直接計(jì)算電磁場(chǎng)變量.

此外,兩種組分之間的擴(kuò)散用一個(gè)組分輸運(yùn)方程描述[39-41,46,47],這里氧組分以A表示,氬組分以B表示,則氧組分的輸運(yùn)方程為

(11)式即表示組分之間的擴(kuò)散由濃度梯度、壓力梯度、電場(chǎng)強(qiáng)度和溫度梯度四種效應(yīng)引起.其中,為氧組分重離子(O,O+,O++,O+++)的平均質(zhì)量,為氬組分重離子(Ar,Ar+,Ar++,Ar+++)的平均質(zhì)量,為氧所有組分(O,O+,O++,O+++,e-)的平均質(zhì)量,為混合物所有組分的平均質(zhì)量;為組合普通擴(kuò)散系數(shù),為組合溫度擴(kuò)散系數(shù)[40,46];E為電場(chǎng)強(qiáng)度,為氧組分所有粒子的摩爾分?jǐn)?shù)之和,且與之間的關(guān)系由給出.根據(jù)Murphy[46,49,50]的研究,對(duì)于Ar-O2混合氣體電弧,由壓力梯度和電場(chǎng)強(qiáng)度而導(dǎo)致的組分?jǐn)U散作用可以被忽略,因此,只考慮濃度梯度和溫度梯度效應(yīng)的作用.

2.2 熱力學(xué)參數(shù)和輸運(yùn)系數(shù)

2.3 求解域和邊界條件

求解域如圖2所示,灰色部分為鎢極區(qū)域,其余為電弧區(qū)域.AB為鎢極截面,BC為氣體進(jìn)口,氣流量為10 L/min,CD為出口,DE為陽(yáng)極表面,ABHGF為鎢極區(qū)域.求解域尺寸為10 mm×10 mm,鎢極尖端距離陽(yáng)極為5 mm,鎢極直徑為3.2 mm,尖端角度為60°,尖端平臺(tái)直徑為0.2 mm.

對(duì)于外部邊界條件,AB為鎢極橫截面,給定溫度和電流密度,BC為氣體入口; 給定氣體流速,CD為出口,DE為陽(yáng)極表面,設(shè)定溫度為2000 K,電勢(shì)為0,采用無(wú)滑移條件,EA為對(duì)稱邊界.對(duì)于磁矢勢(shì)A的邊界條件,理論上,在出口為無(wú)限遠(yuǎn)處時(shí)趨于0,對(duì)于有限大的邊界,可設(shè)定更加精確的邊界條件[53],但為了計(jì)算簡(jiǎn)化,一般在出口處設(shè)定為0,得到的結(jié)果與解析解和單獨(dú)用磁通密度描述的結(jié)果吻合得很好[53],且為眾多的計(jì)算模型所采用[1,9,19,20,24,25,33-35].

在求解域內(nèi)部,由于陰極區(qū)已經(jīng)嚴(yán)重偏離LTE,對(duì)于陰極表面FGHB區(qū)域,忽略陰極和電弧之間的復(fù)雜作用過(guò)程,這里考慮電弧和陰極之間的熱作用,電勢(shì)和磁矢勢(shì)采用耦合條件[9,19,20],以保證其在整個(gè)求解域上連續(xù),電弧對(duì)陰極的熱作用由下式給出[1]:

圖1 擴(kuò)散系數(shù) (a) 組合普通擴(kuò)散系數(shù) (b) 組合溫度擴(kuò)散系數(shù)Fig.1.Diffusion coefficients: (a) Combined ordinary diffusion coefficient ; (b) combined temperature diffusion coefficient

圖2 求解域示意圖Fig.2.Schematic of the computation domain.

即包括陰極的電子發(fā)射冷卻、陽(yáng)離子撞擊加熱、熱傳導(dǎo)和輻射冷卻作用.(12)式中,qc為陰極表面的熱流密度,Φm為鎢的功函數(shù),取4.52 V[54],κeff為有效熱導(dǎo)率;Vi為氬氣第一電離能,取15.68 V,雖然氧組分的存在會(huì)在某程度上改變這個(gè)值,為簡(jiǎn)化模型,仍然采用純氬等離子的參數(shù);ε為發(fā)射率,α為Steven-Boltzmann常數(shù);je為電子流密度,ji為陽(yáng)離子電流密度,并由下式確定[1,54]:

|j|為總電流密度,jR為電子熱發(fā)射電流,由Richardson-Dushiman方程給出:

式中,jR為熱電子發(fā)射電流密度,A為熱發(fā)射常數(shù),釷鎢極取30 kA·K-2·m-2,Tw為鎢極表面溫度,Φeff為釷鎢極的有效功函數(shù),取2.63 V[54].此外,為了獲得和已有的研究一致的溫度場(chǎng)結(jié)果,經(jīng)過(guò)多次數(shù)值試驗(yàn),確定了陰極和陽(yáng)極附近較適合的網(wǎng)格尺寸.

對(duì)于氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)YA,邊界條件的設(shè)定與Murphy的模型[40]類似,進(jìn)口給定混合氣體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù),本文中設(shè)定質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%,即相當(dāng)于氣體的摩爾分?jǐn)?shù)或者氣流量比近似為6%,出口處也可認(rèn)為趨于進(jìn)口處的濃度; 在陰極和陽(yáng)極附近表面,由于局域熱平衡假設(shè)不再適用,相應(yīng)的邊界條件很難被確定.這里進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,即陽(yáng)極表面設(shè)定其梯度為0,而在陰極表面給定質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布.結(jié)果表明,這種簡(jiǎn)化處理是合理的.具體邊界條件見表1.

表1 邊界條件Table 1.Boundary conditions.

2.4 求解方法

求解域離散化為非結(jié)構(gòu)化四邊形網(wǎng)格,鎢極尖端附近局部加密; 模型采用FLUENT求解,能量守恒方程和電磁學(xué)方程在整個(gè)區(qū)域求解,動(dòng)量守恒方程、連續(xù)性方程和組分輸運(yùn)方程在等離子體區(qū)域求解; 采用SIMPLE 算法,方程用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散,能量方程收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-6,其余方程為10-3.

3 結(jié)果與分析

圖3為不同電流條件下Ar-5%O2的混合氣體電弧溫度場(chǎng)(左半部分)和氧組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(右半部分)分布,可以看到,在兩種電流條件下,電弧都呈現(xiàn)典型的鐘罩型; 如圖3(a)所示,在電流為200 A時(shí),電弧溫度明顯升高,峰值超過(guò)20000 K; 氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布極不均勻,在靠近電弧中心軸線的區(qū)域高于混合氣體中的濃度,且陽(yáng)極附近的氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于陰極附近,在靠近陽(yáng)極約0.5 mm的位置出現(xiàn)峰值,達(dá)到15%,這些結(jié)果與Murphy[40]的研究結(jié)果吻合良好.而在電流為80 A時(shí),由于電流減小,導(dǎo)致產(chǎn)生的焦耳熱減小,電弧溫度明顯降低,最高溫度超過(guò)15000 K; 氧組分同樣出現(xiàn)明顯的不均勻分布,與200 A電流時(shí)不同,在靠近陰極和陽(yáng)極的區(qū)域,氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于其在混合氣體中的濃度,即5%,而在其他區(qū)域則小于5%,且大約在陰極下方約1.5 mm處出現(xiàn)峰值,達(dá)到8.6%,如圖3(b)所示.

圖3 混合氣體電弧的溫度場(chǎng)和氧組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布(a) 200 A; (b) 80 AFig.3.Temperature field and oxygen mass fraction of Ar-O2 mixture gas arc for different current: (a) 200 A; (b) 80 A.

氧的這種不均勻分布在圖4可以更加明顯的看到.如圖4(a)所示,在電流為200 A時(shí),在鎢極下方4 mm處,隨著徑向距離增加,氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速下降,且當(dāng)r＞ 2 mm時(shí),出現(xiàn)一定的波動(dòng),峰值出現(xiàn)在鎢極正下方,達(dá)到12.5%.在鎢極下方其它位置,隨著徑向距離的增加,氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)先略有上升,然后迅速下降到5%以下,即低于氧在混合氣體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù),并出現(xiàn)明顯的波動(dòng); 而且,峰值偏離中軸線,且距離鎢極越遠(yuǎn),峰值越大; 如圖4(b)所示,與200 A的情形類似,當(dāng)電流為80 A時(shí),隨著徑向距離的增加,氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸下降,并出現(xiàn)明顯波動(dòng),不同的是,隨著到鎢極尖端距離的增加,氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)峰值逐漸下降,且峰值總是出現(xiàn)在鎢極正下方.

從(10)式和(11)式可以看到,氧的這種不均勻分布受到等離子體流動(dòng)、普通擴(kuò)散和溫度梯度導(dǎo)致的擴(kuò)散三者的影響.普通擴(kuò)散即由于濃度梯度引起,是一種很普遍的擴(kuò)散現(xiàn)象,而對(duì)于溫度梯度導(dǎo)致的擴(kuò)散,這里用組合溫度擴(kuò)散系數(shù)來(lái)描述.由濃度梯度引起的擴(kuò)散導(dǎo)致氧的分布趨于均勻,而由溫度梯度導(dǎo)致的擴(kuò)散受溫度分布的影響,兩者的作用往往并不一致[48].根據(jù)Murphy的研究[39,40],由溫度梯度導(dǎo)致的擴(kuò)散主導(dǎo)氧擴(kuò)散過(guò)程,最后決定其分布.由于在陰極和陽(yáng)極附近存在很大的溫度梯度,因此,在靠近陰極和陽(yáng)極的區(qū)域,氧的濃度明顯升高; 但是對(duì)于兩種不同的電流,氧的峰值濃度出現(xiàn)的位置不同,這是由于由等離子體流動(dòng)引起的對(duì)流傳質(zhì)的強(qiáng)弱不同所致.如圖5(a)所示,在200 A時(shí),中心軸線附近的等離子流速明顯超過(guò)100 m/s,在鎢極下方約2 mm處達(dá)到峰值,約366 m/s,如此之大的等離子流使得氧的分布明顯向陽(yáng)極集中,在陽(yáng)極附近,等離子流速迅速下降,最后導(dǎo)致了圖3(a)中氧在陽(yáng)極附近聚集的現(xiàn)象.與之相比,80 A時(shí)的等離子體流速度明顯減小,峰值僅有95 m/s,對(duì)流傳質(zhì)的作用明顯減弱,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及200 A時(shí)強(qiáng),如圖5(b)所示; 另外值得注意的是,由圖1(b)可以看到,組合溫度擴(kuò)散系數(shù)隨氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加,且在15000 K附近出現(xiàn)峰值,而80 A時(shí)陰極尖端附近的溫度非常接近15000 K,這意味著此時(shí)氧在溫度梯度作用下的擴(kuò)散更加明顯.因此,氧也會(huì)使得氧向陰極附近集中.由此可知,氧的分布受到等離子體流動(dòng)的影響比較顯著,不同的電流條件下,由于產(chǎn)生的等離子體流動(dòng)強(qiáng)弱不同,導(dǎo)致氧的分布也會(huì)不同,電流和其他參數(shù)如電弧長(zhǎng)度和混合氣體濃度等的影響將在后續(xù)的研究中進(jìn)行.

圖4 距離鎢極尖端不同位置氧組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的徑向分布 (a) 200 A; (b) 80 AFig.4.Radial distributions of the mass fraction of oxygen at different distances below the cathode: (a) 200 A; (b) 80 A.

圖5 混合氣體電弧的流場(chǎng) (a) 200 A; (b) 80 AFig.5.Flow fiels of mixture gas arc：(a) 200 A; (b) 80 A.

需要指出的是,在電弧溫度接近環(huán)境溫度的周圍較冷區(qū)域,會(huì)明顯偏離LTE假設(shè),因此計(jì)算得到的氧分布與實(shí)際的可能有所不同,但是整體上,在電弧高溫區(qū)域,由于高溫和較大的溫度梯度,氧的分布仍然受到溫度梯度導(dǎo)致的擴(kuò)散主導(dǎo),因而其結(jié)果當(dāng)與實(shí)際的接近.一般地,氣體保護(hù)焊接的熔池尺度在毫米量級(jí)[1,3,5,6,8],處于高溫區(qū)域的覆蓋之下,因此,對(duì)于探究混合氣體電弧中氧對(duì)熔池的作用,這些結(jié)果仍然具有重要的參考價(jià)值.

圖6為距離陽(yáng)極表面0.1 mm處氧組分的徑向分布,0.1 mm的尺度大約相當(dāng)于陽(yáng)極區(qū)的寬度.可以看到,在兩種電流條件下,氧的分布出現(xiàn)明顯的波動(dòng).相比之下,200 A時(shí)的波動(dòng)更加強(qiáng)烈,而且明顯地集中于中心區(qū)域,峰值接近11.5%.此外,氧組分濃度在大部分區(qū)域高于其在混合氣體中的濃度.電流為80 A時(shí),大約在1.6 mm＜r＜4 mm的范圍,氧組分濃度略低于混合濃度; 電流為200 A時(shí),大約在3.2 mm＜r＜7 mm的范圍,氧組分濃度略低于混合濃度.可以推測(cè),這個(gè)位置的氧的不均勻分布必然會(huì)使得熔池表面的氧分布呈現(xiàn)不均勻的特性.作為一種能決定熔池Marangoni對(duì)流的活性元素,氧的這種不均勻的分布會(huì)對(duì)熔池的流動(dòng)和焊縫成形產(chǎn)生非常顯著的影響[4,55,56].然而,由于陽(yáng)極區(qū)偏離了LTE狀態(tài),而且存在明顯的電場(chǎng)強(qiáng)度的影響[25],陽(yáng)極的蒸發(fā)作用[34,35,41]也會(huì)進(jìn)一步影響氧的傳質(zhì)過(guò)程,氧在陽(yáng)極區(qū)的傳質(zhì)行為將更加復(fù)雜.盡管如此,氧在陽(yáng)極附近的分布將直接決定氧在熔池表面的分布,因而是值得進(jìn)一步研究的方面.

氧的不均勻分布對(duì)電弧溫度場(chǎng)的影響如圖7所示,可以看到,在兩種電流條件下,氧的存在使電弧外圍靠近陽(yáng)極的區(qū)域出現(xiàn)明顯收縮,而使電弧外圍靠近陰極的區(qū)域和中心區(qū)域溫度場(chǎng)出現(xiàn)輕微的擴(kuò)張,總體上表現(xiàn)為電弧的收縮,這種收縮實(shí)質(zhì)上導(dǎo)致了電弧溫度的升高.如圖7(a)所示,在80 A電流時(shí),最高溫度從14871 K上升到15133 K,而由圖7(b)可知,電流為200 A時(shí),最高溫度從20658 K增大到20968 K.由于O2在電弧高溫氣氛中會(huì)發(fā)生解離和電離,這需要額外消耗電弧的一部分能量,為了維持其自身能量損失最小,電弧出現(xiàn)收縮,同時(shí)電弧導(dǎo)電通道集中,電流密度增加,產(chǎn)生的焦耳熱增加,溫度上升.這一結(jié)論與Murphy[40]的研究結(jié)果一致,黃勇等[57]對(duì)氣體熔池耦合活性TIG電弧的光譜測(cè)量也得到了類似的結(jié)論.在靠近陽(yáng)極區(qū)域外圍電弧收縮明顯,這是由于這一區(qū)域氧的濃度更高,因此其收縮作用更加顯著.靠近陰極區(qū)域出現(xiàn)的電弧外圍溫度場(chǎng)擴(kuò)張,可以認(rèn)為是電弧收縮后產(chǎn)生的焦耳熱增加,而氧的存在對(duì)電弧能量的輻射損失影響極小[51]; 同時(shí),如圖5所示,這一區(qū)域等離子體流速明顯下降,熱對(duì)流的作用已不顯著,因此,在熱擴(kuò)散的作用下,更多熱量向低溫區(qū)域傳遞,導(dǎo)致等溫線擴(kuò)展.

圖6 混合氣體電弧陽(yáng)極表面0.1 mm處氧組分的分布Fig.6.Oxygen mass fraction of mixture gas arc 0.1 mm above the anode.

氧的存在對(duì)電弧等離子體流場(chǎng)的影響如圖8所示,可以看到,在兩種電流條件下,氧的存在使電弧外圍等離子體流速下降,而在電弧中心區(qū)域等離子體流速增加,80 A時(shí)最大流速?gòu)?6 m/s增加到95 m/s,200 A時(shí)最大流速?gòu)?41 m/s 增加到366 m/s,等速線明顯擴(kuò)展,這種變化趨勢(shì)與溫度場(chǎng)的變化類似.實(shí)質(zhì)上,這也是電弧收縮的一種表現(xiàn).溫度的收縮引起導(dǎo)電通道的收縮,導(dǎo)致電弧外圍驅(qū)動(dòng)等離子流動(dòng)的電磁力減弱,流速下降.而在中心區(qū)域,由于溫度明顯超過(guò)10000 K,黏度隨著溫度升高而迅速減小[51],加之電弧收縮導(dǎo)致的電磁力增加,使得等離子體流速顯著增強(qiáng),流速等值線明顯擴(kuò)展.

圖7 氧組分對(duì)電弧溫度場(chǎng)的影響 (a) 200 A; (b) 80 AFig.7.Effect of oxygen on the arc temperature field: (a) 200 A; (b) 80 A.

圖8 氧組分對(duì)電弧流場(chǎng)的影響 (a) 200 A; (b) 80 AFig.8.Effect of oxygen on the arc flow field: (a) 200 A; (b) 80 A.

圖9 200 A電流TIG電弧的溫度場(chǎng)對(duì)比Fig.9.Comparison of the calculated temperature fiels of TIG arc for 200 A current.

圖10 距離陰極尖端不同位置氧組分徑向分布的計(jì)算結(jié)果對(duì)比 (a) Murphy的結(jié)果[40]; (b) 本文的結(jié)果Fig.10.Comparison of radial distribution of oxygen calculated at different distances below the cathode: (a) Murphy’s results[40]; (b) the present model’s results.

圖9為200 A的純Ar保護(hù)TIG電弧溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果對(duì)比,左半部分為L(zhǎng)owke等[12]的結(jié)果,右邊為本文模型的計(jì)算結(jié)果.Lowke的研究考慮了電子擴(kuò)散對(duì)陰極鞘層區(qū)的作用,結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合得很好; 本文采用了簡(jiǎn)化處理,可以看到兩者的結(jié)果很接近,而在陰極附近溫度分布出現(xiàn)一定程度的差異,本模型得到的最高溫度超過(guò)20500 K,而Lowke的結(jié)果超過(guò)23000 K.可能的原因是本模型沒(méi)有考慮陰極附近的非LTE狀態(tài),從而使得電弧熱的計(jì)算偏低.總體上,本文的單組分氣體電弧模型可靠,具有較高的計(jì)算精度,從而表明了在此基礎(chǔ)上建立的混合氣體電弧模型的可靠性.

圖10為本文模型的模擬結(jié)果和Murphy研究結(jié)果[40]的對(duì)比,電流為200 A,陰極距離陽(yáng)極5 mm.圖10(a)為Murphy的結(jié)果,圖10(b)為本文的結(jié)果.可以看到兩者吻合良好,不同的是本文的計(jì)算結(jié)果峰值相對(duì)較高; 在鎢極尖端下方4 mm處,Murphy得到的氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)峰值約為0.11,本文則為0.127.其余位置的峰值也有類似的差異,而且氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布也有一定程度的差別,其原因可能是由于所采用的邊界條件不能完全一致,而且本文所用的熱力學(xué)參數(shù)和輸運(yùn)系數(shù)線性差值的間隔更小所致.但兩者都表明了氧在電弧氣氛中的不均勻分布,以及其更加聚集于陽(yáng)極附近的分布規(guī)律.

4 結(jié) 論

本文建立了Ar-O2混合氣體電弧的二維軸對(duì)稱模型,研究了兩種電流條件下的氧分布及其對(duì)電弧溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的影響,結(jié)論如下:

1)氧在Ar-O2混合氣體電弧中呈現(xiàn)明顯的不均勻分布,在電弧中心軸線和兩極附近濃度較高,超過(guò)其在混合氣體中的濃度,而在其他區(qū)域低于混合氣體中的濃度;

2)不同電流下的等離子體流速大小對(duì)氧分布有較明顯的影響,在大電流條件下,氧更集中地分布于陽(yáng)極附近,而在小電流條件下,氧更集中地分布于陰極附近;

3)在兩種電流條件下,氧在陽(yáng)極附近0.1 mm處沿徑向分布并不均勻,預(yù)示著作用于陽(yáng)極表面氧的不均勻分布;

4)與純氬氣保護(hù)相比,混入5%的氧氣使電弧出現(xiàn)一定程度的收縮,電弧溫度和等離子體流速有所增加.

感謝澳大利亞CSIRO Manufacturing的A.B.Murphy博士提供的Ar-O2混合氣體電弧的熱力學(xué)參數(shù)和輸運(yùn)系數(shù)以及與他的有益討論.