电熔爆等离子体电弧的模拟仿真

发布时间：2017-05-04 00:01

  本文关键词：电熔爆等离子体电弧的模拟仿真，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：电熔爆技术是我国一项完全拥有自有知识产权的金属加工新工艺,其宏观表现为高能电弧的热作用,该技术在加工效率、可加工材料等方面有着突出的优点。在电熔爆加工中各加工工艺参数对电熔爆加工效果的影响较大,且电弧加工区域的温度高达上千度,这些给相关的试验增加了一定的难度,而试验的高成本、高难度在一定程度上阻碍了相关工艺参数的制定,并且阻碍了电熔爆技术研究的长足发展。本文主要对电熔爆等离子体电弧进行数值模拟。随着计算机技术和模拟仿真计算理论的不断发展,将现代计算机仿真技术引入到电熔爆技术的深入研究中,可适当降低试验研究的盲目性,为试验研究提供一定的研究基础,这将能更好地促进电熔爆技术的产业化发展。本文在对电弧基本知识、电弧形成原理、等离子体传热与流动等知识进行学习的基础上,将三大守恒定律与磁流体动力学控制方程相结合,考虑自磁力对电弧行为的影响,建立电熔爆电弧等离子体的二维数学模型。针对实际加工情况,详细给出了模型的控制方程组和边界条件的数值处理;采用自由电弧模型验证了模型和开发程序的正确性,基于用户定义的FLUENT软件二次开发技术,利用CFD软件对电熔爆技术加工过程中产生的等离子体电弧进行数值模拟,研究并分析了等离子体电弧的电磁场分布、温度场分布、速度场分布等一系列结果。进一步研究电流强度、进气速度等参数对电弧、电弧对称轴、阳极表面的速度场、压力场、电场、温度场等相关特性的影响。研究结果表明:电流强度对电弧和阳极表面各物理场的影响较大,加工电流的增加在一定程度上有利于电熔爆材料蚀除率的提高;进气速度的增大使得电弧形状出现收缩,阳极中心区域的电流密度增大,但对电弧特性影响较小。
【关键词】：电熔爆 等离子体电弧 工艺参数 CFD 数值模拟
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG661
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 课题背景及研究意义10-11
• 1.2 电熔爆技术11-15
• 1.2.1 电熔爆技术特点11-13
• 1.2.2 研究现状13-15
• 1.3 电熔爆技术放电机理分析15-19
• 1.4 课题的主要研究内容19-20
• 2 电熔爆等离子体电弧的数值模拟与CFD软件20-27
• 2.1 等离子体电弧数值模拟的发展20-21
• 2.2 计算流体动力学21-24
• 2.2.1 CFD软件结构22
• 2.2.2 CFD计算流程22-23
• 2.2.3 离散方法23-24
• 2.3 FLUENT软件的介绍24-26
• 2.4 本章小节26-27
• 3 等离子体电弧的数学建模27-46
• 3.1 基本假设28-29
• 3.2 等离子体电弧数学模型的建立29-36
• 3.2.1 计算区域29
• 3.2.2 控制方程组29-30
• 3.2.3 源项的处理30-34
• 3.2.4 边界处理34
• 3.2.5 材料物理参数的选取34-36
• 3.3 模型的求解36-39
• 3.3.1 求解过程36
• 3.3.2 UDF程序的编写36-39
• 3.4 等离子电弧模型的检验39-45
• 3.4.1 网格划分39-40
• 3.4.2 求解基本设置40-41
• 3.4.3 结果与分析41-45
• 3.5 本章小节45-46
• 4 基于FLUENT软件的电熔爆等离子体电弧数学模型计算46-58
• 4.1 Icem前处理46
• 4.2 计算求解46-51
• 4.2.1 导入并检查网格46-47
• 4.2.2 模型设置47
• 4.2.3 编译UDF47-48
• 4.2.4 定义材料属性48-49
• 4.2.5 定义区域类型和边界类型49
• 4.2.6 求解49-51
• 4.3 电熔爆电弧等离子体计算结果分析51-57
• 4.3.1 速度场和压力场特性51-53
• 4.3.2 电场特性53-56
• 4.3.3 温度场特性56-57
• 4.4 本章小节57-58
• 5 加工参数对电熔爆等离子体电弧的影响58-69
• 5.1 加工电流58-63
• 5.2 进气速度63-68
• 5.3 本章小节68-69
• 6 总结与展望69-71
• 6.1 总结69-70
• 6.2 后续工作展望70-71
• 参考文献71-76
• 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果76-77
• 致谢77-78

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