一种预测直流非转移弧在等离子炬内烧蚀位置的方法

1.本发明涉及等离子炬加工技术领域，尤其涉及一种预测直流非转移弧在等离子炬内烧蚀位置的方法。


背景技术：

2.随着现代光学对光学材料表面质量的要求逐步提高，等离子体加工逐渐取代了加工耗时长且难以加工坚硬材料的传统机加工方式。作为一种能够产生大气压等离子体喷流的方式，直流等离子炬得到了广泛的应用，然而此种等离子体发生器极易在等离子炬内部产生烧蚀，严重降低直流等离子炬的工作寿命。
3.目前，直流非转移弧等离子炬主要通过在阳极附近设置循环冷却水来整体提高炬内的换热性能，这种设置不能对极易发生烧蚀的部分进行预测，由于无法确定烧蚀发生的位置，等离子炬腔体因其轴向长度较大需布置较大范围的冷却循环流道，然而等离子炬内直接造成烧蚀现象的电弧激发范围有限，明显小于腔体轴向长度，采用此种全局布置的冷却系统造成了多余的能量损失，并且为了降低烧蚀现象，较高的冷却功率造成电弧激发范围外的部分腔体温度过低，严重影响等离子喷流的性质和加工效果，同时全局布置的散热系统也增加了能量消耗，影响加工性能。因此，为延长直流等离子炬工作寿命，提高能量利用效率，需要提供一种能够预测直流非转移弧在等离子炬内烧蚀位置的方法。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的是提供一种预测直流非转移弧在等离子炬内烧蚀位置的方法，并提供至少后面将说明的优点。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种预测直流非转移弧在等离子炬内烧蚀位置的方法，其包括以下步骤：
7.a)根据等离子炬的几何结构绘制三维非结构网格，对所述三维非结构网格阳极和阴极壁面进行局部加密；
8.b)根据工况参数建立耦合mhd磁流体动力学物理模型；
9.c)根据实际工况设置边界条件，所述边界条件包括入口、出口、阳极、阴极、工件表面以及其余壁面的边界条件；
10.d)配置计算参数，采用ansys-fluent软件自带的混合初始化法给定流场初始值，并采用二阶迎风格式的simplec压力速度耦合算法对物理模型进行稳态计算求解；
11.e)基于所述步骤b)中的物理模型和所述步骤d)中的稳态计算的特点进行收敛条件判定，所述判定包括各项残差值的衰减程度比较、出入口质量流量的差距比较；
12.f)基于所述步骤e)中收敛后的计算结果进行数据处理及分析，包括结合阳极壁面径向电流分布及其温度分布进行预测；
13.优选地，所述步骤a)中通过结合应用场景绘制第一层网格高度不大于2e-2mm且网格扩张率为1.05的网格以保证足够的计算精度和较高的计算速度。
14.优选地，所述步骤a)的三维非结构网格包括等离子炬腔体和对工件加工范围区域。
15.优选地，所述对工件加工范围区域包括柱状区域，其直径为等离子炬腔体直径的60倍以上。
16.优选地，所述步骤b)具体为，基于ansys-fluent软件的标准k-epsilon湍流模型编译自行开发的udf用户自定义函数以对磁流体力学稳态模型进行描述，针对测试模型的几何参数和工作电流修改udf用户自定义函数中阴极边界的源项，
[0017][0018]
其中，i
工作
为测试模型的工作电流、r
阴极截面
为阴极头部径向最大截面的半径、r为阴极头径向截面的半径、j为阴极边界的源项。
[0019]
优选地，所述步骤b)中的工况参数包括工作气体入口参数、阳极与阴极材料的物性参数、阴极的工作电流。
[0020]
优选地，所述步骤c)中的所述入口的边界条件为速度入口包含来流方向和来流速度，所述出口的边界条件为压力出口，所述阳极的边界条件为无滑移换热壁面，所述阴极的边界条件为无滑移等温壁面，所述工件表面的边界条件为无滑移等温壁面，所述其余壁面的边界条件为等温壁面。
[0021]
优选地，所述无滑移换热壁面设置热导率为1e5 w/m2，自由温度为500k，表面电势为0v，所述阴极的无滑移等温壁面设置温度为3500k，定义电流数值取自所述udf用户自定义函数中阴极边界的源项，所述工件表面的无滑移等温壁面设置温度为300k，表面电势为0v，所述等温壁面设置温度为300k。
[0022]
优选地，所述步骤d)中，设置流场阴阳极间区域的温度不低于8000k。
[0023]
优选地，所述步骤e)中的所述收敛条件为残差值下降4个数量级并且出入口质量流量差小于1e-6kg/s。
[0024]
有益效果
[0025]
本发明的一种预测直流非转移弧在等离子炬内烧蚀位置的方法，通过电弧温度分布与阳极壁面温度分布的结合以及腔内径向电流分布情况预测直流非转移弧等离子炬内部易于产生烧蚀现象的位置，模型具有灵活的输入条件使能够进行预测的工作条件以及模型尺寸结构范围扩大，有效解决现有技术中布设大范围冷却循环通道以保证换热性能所产生的高能耗、加工性能低、工作寿命短的技术问题，有效提高能量利用效率。
附图说明
[0026]
图1为本发明提供的预测直流非转移弧在等离子炬内烧蚀位置的方法的一个实施例的流程图；
[0027]
图2为阳极壁面径向电流密度分布图；
[0028]
图3为阳极壁面温度分布图；
[0029]
图4为xz平面温度分布图；
[0030]
图5为xy平面温度分布图。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
[0032]
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
[0033]
如图1所示，本发明提供一种预测直流非转移弧在等离子炬内烧蚀位置的方法，基于ansys-fluent软件通过用户自定义函数对与标准k-epsilon湍流模型耦合的磁流体力学模型进行描述，对三个维度上磁流体模型中动量源项以及考虑辐射耗散、焦耳热、电子输运焓的能量源项；采用了局部热力学平衡但在阳极附近0.1mm范围内固定电导率的假设，使数值模拟结果与实验数据更为接近；在不改变模型几何结构尺寸时，通过给定来流气体组成、质量流量(或来流速度)、阴极工作电流大小以及阳极基本散热能力等四项基本参数即可对等离子炬内电弧的发展变化进行模拟，最终获得工作时间内电弧整体温度、速度以及径向电流分布的数据，将其与阳极壁面所获得的温度分布数据结合即可确定炬内易于产生烧蚀的位置，具体包括以下步骤：
[0034]
s1：三维网格绘制，根据等离子炬的几何结构绘制三维非结构网格，对所述三维非结构网格阳极和阴极壁面进行局部加密，为保证足够的计算精度和较高的计算速度，结合应用场景需绘制第一层网格高度不大于2e-2mm并且网格扩张率为1.05的网格即可保证上述要求。
[0035]
s2：建立耦合mhd磁流体动力学的物理模型,采用ansys-fluent软件自带的标准k-epsilon湍流模型并编译自行开发的udf用户自定义函数建立物理模型，其中需要针对测试模型的几何参数和工作电流修改udf用户自定义函数中阴极边界的源项。计算udf用户自定义函数阴极边界源项的方程为：
[0036]
其中，i
工作
为测试模型的工作电流、r
阴极截面
为阴极头部径向最大截面的半径、r为阴极头部径向截面的半径、j为阴极边界的源项。
[0037]
s3：设置边界条件，根据实际工况设置入口、出口、阳极、阴极、工件表面以及其余壁面的边界条件。入口设置为速度入口包含来流方向以及来流速度，出口设置为压力出口以满足常压加工需求，阳极设置为无滑移换热壁面，默认热导率为1e5 w/m2自由温度为500k表面电势为0v，阴极设置为无滑移等温壁面默认温度为3500k、定义电流数值由udf用户自定义函数阴极边界源项决定，工件表面设置为无滑移等温壁面默认温度为300k、表面电势为0v，其余壁面均设置为等温壁面默认温度为300k。
[0038]
s4：配置计算参数，采用flunet自带的混合初始化法给定流场初始值，同时为了保证电弧能够稳定激发设置流场阴阳极间区域的温度不低于8000k，并采用二阶迎风格式的simplec压力速度耦合算法对物理模型进行稳态计算求解。
[0039]
s5：判定收敛条件。结合本物理模型特点并比较稳态计算结果，即，通过比较各项残差值的衰减程度以及出入口质量流量的差距进行判断，一般当残差值下降4个数量级并且出入口质量流量差小于1e-6kg/s即可认为收敛，此时测试对象的物理现象达到稳定。
[0040]
s6：数据处理及分析，包括结合阳极壁面径向电流分布及其温度分布进行预测。
[0041]
在本发明提供的所述的预测直流非转移弧在等离子炬内烧蚀位置的方法的一个实施例中，如图2所示，
[0042]
考虑到腔内阴阳极间形成的电弧具有极高的电流密度会产生极高的焦耳热，为阳极壁面烧蚀的主要原因，此外，由于“弧脚”为阳极表面电弧连通的主要位置，故通过比较径向电流密度沿阳极壁面的分布可预测阳极表面较易形成“弧脚”的位置。因此对收敛后计算结果的处理将重点分析阳极壁面径向电流分布并与其温度分布相结合进行预测，图2中横坐标25～30mm范围内径向电流密度较高，则在此范围内流入阳极壁面的电流量最高，为电弧“弧脚”的主要产生位置。
[0043]
在本发明提供的所述的预测直流非转移弧在等离子炬内烧蚀位置的方法的一个实施例中，如图3所示，温度较高的范围与图2中径向电流密度较高的范围是重合的，考虑到阳极的材料主要为铜，其熔点一般小于1350k，由此可以划定该工况下阳极易发生烧蚀的位置。图4为xz平面温度分布图，图5为xy平面温度分布图。
[0044]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。