基于Fluent的GTAW数值模拟.pdf

学兔兔 俘搭 试验研究 基于 Fluent的 GTAW 数值模拟 太原理工大学 材料科学与工程学~(030024) 刘凤磊 杜华云 山 西 医科 大 学 基 础 医 学 院(太原市 030001) 安艳丽 山 西 工 程 技 术 学 院(阳泉市 045000) 卫英慧 兰州理工大学 材料科学与工程学t~(730050) 樊 丁 摘要 基于GTAW特点，建立了包含阴极、电弧和阳极的完整耦合的瞬态统一模型。利用Fluent软件模拟，并 对其UDF进行二次开发，研究了0Crl8Ni9Ti在GTAW下的熔池和电弧的形态。计算了不同时刻 电弧温度场和熔 池形状，其结果表明随着焊接时间的延长，电弧形状变化较小，熔池形状变化较大，熔池呈现 出勺形特征。熔池内 流体在电磁力、表面张力的主要作用下形成3个涡流。在这 3个涡流综合作用下，促使了熔池勺形形状的形成。 计算结果在理解分析GTAW物理过程以及熔池形状机理方面上 ，具有一定的理论参考价值。 关键词： 熔池 电弧 勺形特征 中图分类号 ： TG403 与熔池进行动态耦合数值模拟，揭示了电弧、熔池相互作 0 前 言 用的机制以及电弧熔池动态行为的基本规律，但未对熔 钨极氩弧焊(GasTungstenAreWelding)作为一种 池内流体流动和熔池形貌的成因进行深入的分析。 高效高质的焊接方法，获得了广泛应用_1I4J。近年来， 文中以0Crl8Ni9Ti为研究对象，综合考虑金属蒸 焊接仿真技术快速发展，采用焊接数值模拟技术对焊 发和气体参数随温度的变化等因素，基于 GTAW焊接 接电弧和熔池进行定量的模拟研究已成为焊接研究的 特性，建立了包含阴极、电弧和阳极在内的完整电弧和 重要技术手段 J。随着 GTAW 数值模拟技术的发 熔池双向耦合瞬态统一模型。通过采用有限体积法， 展，传统的GTAW 数值模拟或者侧重于电弧行为特 基于Fluent软件并对其 UDF进行二次开发，求解获得 性 9 ，或者侧重于熔池行为特性_1-14]的情况已有很 瞬态电弧温度场和熔池流场等结果，研究了GTAW 的 大改进。然而模拟结果的普遍适用性 尚待进一步提 电弧和熔池的行为特性。进一步分析了熔池 内流体流 升。事实上，焊接过程中电弧和熔池是动态交互作用 动和焊接熔池勺形形状的成 因。 影响的统一整体，Lowke等人_1较早建立了包括阴极、 1 数学模型 电弧和阳极在 内的统一模型，该模型没用对电流密度、 热流密度进行人为假设，模拟结果更接近实际情况。 1．1 基本假设 樊丁等人 用 Phoenics软件分别模拟 了电弧和熔 基于前人工作和文中的研究内容，作出以下假设： 池。Murphy等人_l创建统一模型，研究了金属蒸气对 ①电弧是轴对称的，并且处于层流状态；②电弧是连续 电弧的影响，得出金属蒸气主要是通过影响电弧低温 介质，并且处于局部热平衡 (LTE)状态；③ 电弧具有光 区的导电性来影响电弧行为，从而影响阳极的热输入 ， 学薄层特性，即辐射的重吸收和总辐射相比可以忽略 但 由于阳极为水冷铜板，所 以没有研究熔池的形成过 不计；④忽略电弧的浮力和粘性热耗散；⑤熔池流体流 程 。芦凤桂等人_l建立三维统一数学模型对焊接电弧 动和传热是轴对称的，熔池 内的流体为不可压层流体；