直流電弧等離子體炬的數(shù)值模擬.pdf

1、電弧熱等離子體被廣泛應(yīng)用于切割、焊接、噴涂、冶金、材料、化工和廢物處理等工業(yè)領(lǐng)域。對電弧熱等離子體的數(shù)值模擬有助于更好的理解熱等離子體的物理過程和優(yōu)化等離子體發(fā)生器的設(shè)計。本文首先比較了五種湍流模型,即:雷諾應(yīng)力模型(RSM)、標準k-ε模型、重整化群(RNG)k-ε模型、考慮低雷諾數(shù)的重整化群k-ε模型以及可實現(xiàn)化k-ε模型。發(fā)現(xiàn)雷諾應(yīng)力模型和考慮低雷諾數(shù)的重整化群k-ε模型所得到的流場溫度、速度、壓強非常相近;不但這兩種湍流模型所得

2、的壓強、溫度沿軸線上的分布與實驗十分一致;而且由這兩種模型計算出的弧電壓也和實驗值相當吻合。然而,其他三種模型所得到的等離子體射流部分的溫度和實驗值相差很遠,其中標準k-ε模型以及可實現(xiàn)化k-ε模型所得到的軸線上的溫度值在某些區(qū)域和實驗值相差超過10000K。這三種湍流模型所計算的弧電壓值也和實驗值差別很大。
　　 等離子體切割是利用電弧的高能量熔化金屬,再利用等離子體射流的高動量將熔化金屬吹走。目前,使用氧氣作為等離子體氣體的

3、精細切割已在工業(yè)上廣泛應(yīng)用。本文利用考慮低雷諾數(shù)的重整化群k-ε模型對等離子體切割弧進行了系統(tǒng)的模擬,研究結(jié)果如下:(一)在研究旋轉(zhuǎn)氣流時發(fā)現(xiàn),增加旋氣度會增加弧室的壓強并改變弧室內(nèi)的壓強分布,從而收縮電弧。旋氣對切割炬噴嘴小孔內(nèi)部和射流區(qū)域的溫度影響很小,但會使噴口外等離子體得到更高的速度和更強的激波。旋氣會通過改變陰極附近的氣流方向和增加陰極附近的壓強加速陰極的燒損。(二)在參數(shù)研究中發(fā)現(xiàn),切割炬噴嘴小孔長度增加會使射流的最大速度增

4、加,弧室壓強增大,激波后的高速射流區(qū)域半徑增大。減小噴嘴小孔半徑,會使弧室的壓強升高,激波強度增加,激波后的速度、能流密度徑向分布的最大值偏離軸線。這會有利于電弧與切割工件的能量與動量交換,從而提升切割的速度。氣流量會影響等離子體的速度和溫度分布,強氣流由于冷卻效應(yīng)強,會收縮電弧,增加弧電壓和功率,從而增加射流的速度、溫度和能量通量?；‰娏鲗Φ入x子體的速度場和溫度場都有非常重要的影響。在等離子體射流中的能流密度幾乎與弧電流成正比。(三)

5、通過比較兩種不同結(jié)構(gòu)切割炬所產(chǎn)生的等離子體流場,發(fā)現(xiàn)保護氣對等離子體的溫度和速度分布影響很小。垂直保護氣在切割炬噴口形成阻礙作用,造成切割炬內(nèi)的壓強有所升高,但是變化不大。兩種結(jié)構(gòu)保護氣對切割弧的影響只是在炬噴口外的激波附近。加入保護氣后激波的強度會減弱。相對于沒有保護氣的情況,保護氣增加冷卻作用,弧電壓會略有升高。當改變保護氣的成分時,發(fā)現(xiàn)弧柱區(qū)的氧氣含量不受影響,所以保護氣成分的改變不會影響到弧電壓。計算發(fā)現(xiàn)軸線處氧氣和周圍氣體的混

6、和很少,在噴口下游10mm處,氧氣的摩爾分數(shù)仍在90％以上。
　　 大功率氫等離子體炬(5MW-10MW)是煤裂解制乙炔的核心設(shè)備。我們在四CPU工作站上使用FLUENT對V型炬的一半進行并行模擬。由于計算區(qū)域較大,我們使用雷諾應(yīng)力模型考慮湍流。計算所得到的各電極電壓分布與實驗值基本吻合。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)由于電極半徑逐漸增大。進氣量逐漸增多,所以在等離子體炬內(nèi),存在一系列的加速,減速過程。模擬還研究了旋轉(zhuǎn)氣流對等離子體流場的影響,發(fā)