2018傳熱傳質(zhì)學年會集

學術會 1，*1,2，3大學（）重質(zhì)油國家，大學（）過程流體過濾與分離技術市山東大學材料液固結構演變與加工教育部濟南250061 :heart 摘要關鍵字傳熱；流動；等離子弧焊接；熔池；電-磁-熱-力耦21端設備的加工制造至關重要。等離子弧焊接（PAW、激光焊和焊是現(xiàn)在制造業(yè)針對等離子弧焊接工藝的研究數(shù)值模擬是一種重要的大多研究者[6-9]通過開發(fā)出合適的等效熱源模型模擬計算等離子弧焊接過程中的傳熱與流動現(xiàn)象。一些研究者在等效熱源模型的基礎上，開展了等離子弧焊接中動態(tài)穿孔過程的研究，分別利用Level-Se（LS）方法[10]、受力平衡方法[11]和VOF[12-14]方法研究了穿孔等離子弧焊接過程中動態(tài)穿孔的傳熱機理。為了更加接近真實的焊接過程，表征出等離子弧在焊接過程中的熱力作用，一些研究者[15-18]開發(fā)出等離子弧-熔池耦合模型， 以等離子弧為直接熱源，研究了等離子弧焊接中電弧與工件熔池的耦合輸運過程。等離子弧VOF1所示，包括鎢極、等離子弧和工件三個部分。（1）（2）（LET（3）（4）（5）1等離子弧焊接幾何模型示意基于以上假設，可以得到以下控制方程組。其中，t是時間；ρ是密度；rz分別為徑向和軸向坐標；vrvz分別是徑向速度和軸向速度；μ是動力粘度；MrMz分別是徑向和軸向動量守恒方程附加源項；H是總焓；T是熱力學溫度；k是熱導率；Se是能量守恒方程附加源項；σ是電導率；φ是電勢；jrjz分別是徑向和軸向電流密度；ArAz分別是徑向和軸向磁矢量勢；μ0是真空磁導率；B是磁感應強度；A

1rvv

r

vr1rv2vv r

r 1

v

v

2rr

z

2r rr r z

z

r

vz1rvvv2 r

r v 1 v

2z rzr z

z

rr

z

H1rvHvH r 1 T T

rrrkrzkz1r

rr r z z Ohmj j

Az1rAzAz

rr r zz 0 Ar1rArArj

rr r zz

0 r B

采用焓-多孔性系數(shù)[19]H定Hhfl

式中，H是總焓，h是顯焓，La是熔化潛熱，fl Tf(TT)/(TT TT

1 T1Darcy定律[20]計算固llS

K式中，u是糊狀區(qū)流體速度；K是滲透率；μl是液態(tài)金屬動力粘度。Carman-Kozeny表達式[19]K：fK D(1f

式中，D0是一個與多孔介質(zhì)結構有關的系數(shù)，在模型中取常數(shù)Mrjz

MzjrB

在工件區(qū)域，熔池內(nèi)液體金屬在等離子弧壓力、Marangoni力、電磁力、重力和浮離子弧壓力通過電弧區(qū)計算得到，Marangoni力根據(jù)以下計算 zT

r

T式中，τzτrMarangoni力；?????/????熔池內(nèi)各部分溫度不同導致的密度變化引起的浮升力可以采用Boussinesq近似[21,22]fgTTm式中，f是浮升力；β是熱膨脹系數(shù)；g是重力加速度；T是熱力學溫度；Tm是金屬

MjBl

z KMj

lv+g(T

)

r

K SeJoule熱、電子輸運焓與 5k 5kS z+ B

T

T

2e

r

zZ 式中，kBBoltzmann常數(shù)；e是電子電荷；SRJoule熱和相變潛熱，相變潛熱根據(jù)Sanode

jT

jaφwεα 1ABCDEFGHILAIJKLI11邊界條 φA0 Eq.(24)????/????=0 ????=????/????=0 ????/????=????/????=0 ????/????=????/????=0 ????/????=????/????=0 ????/????=????/????=0 ????/????=????/????=??????/????= ????/????=????/????=0 Eq.000 Eq.00??????/????=????z/????= ?T/?n=00 ??????/????= ????z/????= ?T/?n= ????/????= ????/????=-

I

ddq

T

T4T4

式中，q是熱流密度；hconv是對流換熱系數(shù)；T∞是環(huán)境溫度；ε是工件壁面輻射系數(shù)；α FLUENT軟件對等離子弧焊接模型進行求解，采用非結構化網(wǎng)格對計算區(qū)域?qū)埐詈托∮?0-3，而能量方程殘差和小于10-6。為保證收斂，時間步長設為0.001s300166517232.6×105J·kg-σ7.7×105Ω·J-ρ7200kg·m-1.26×10-6H·m-εβ1.0×10-4K-αStefan-BoltzmannBoltzmann1.38×10-23J·K-I20L·min-3L·min-5

22.80Cr18Ni92所示。21.8s21.8s時刻等離子弧和工件中的溫度場和流場分布。37000K；工件區(qū)等溫線1670m/s；在電弧壓力、Marangoni力和電磁力的作用下，熔池中產(chǎn)生兩個環(huán)流流動，流0.1m/s0.15m/s。1.2s3不同時刻熔池的動態(tài)演變過（106A/m2為電弧區(qū)域的1/100，驅(qū)動液態(tài)金屬向內(nèi)和向動，促使熔池窄而深。41.8s時刻電流密度分51.8s60.05s時刻工件上表面等離子弧壓力分布圖。本模型計算所得的等離子弧壓力分布與文獻[23]的等離子弧壓力分布相近，近似形態(tài)分布，在中軸線位置壓力最7所示的實驗平臺對6mm厚度的不銹鋼平板開展了定點等離子弧焊接測試。6工件上表面等離子弧壓力分7等離子弧焊接實驗平

8壓力、Marangoni和電磁力的作用下產(chǎn)生環(huán)流。最后開展了模型驗證，模擬的電弧壓力AmericanSocietyforMetals,1986.2014,16:74.2014,64:1044-1056.