[发明专利]电极、喷嘴冷却水道流场仿真分析方法及等离子切割炬

说明书

技术领域本发明涉及一种电极、喷嘴冷却水道流场仿真分析方法，还涉及一种经过上述方法分析改进的等离子切割炬。

背景技术等离子割炬是等离子切割系统的核心部件，而割炬的冷却系统是割炬设计的重点。理想的冷却系统应该能尽快地将电极与喷嘴的热量尽可能多地带走，从而尽量延长其使用寿命。电极与喷嘴及其冷却水道的合理结构对于保证等离子弧的性能和延长电极与喷嘴的使用寿命具有决定性作用。现有的喷嘴结构不够合理，影响等离子弧的性能；电极与喷嘴通常采用一个冷却系统，不能对电极和喷嘴很好地冷却，缩短电极和喷嘴的使用寿命，增加生产成本。

其次，传统的等离子割炬的进气方式通常是通过气体配流环控制的，更换不同结构的气体配流环就可以在同一割炬上实现切向或者轴向进气。传统等离子割炬存在气流分布不均匀的问题，而且割炬的结构也较复杂，割炬的稳定性难以保证。

等离子割炬冷却水道结构复杂，又封闭在割炬内部，对其冷却水的测量一直缺少有效的方法，因此冷却水流动的数值模拟受到国内外专家的重视。其中，边界条件的处理是计算流体力学中一个非常重要的问题，并一直是人们研究的重点之一。一个非线性偏微分方程的有解、无解，不但与边界条件的种类、范围(给定在开区间上还是闭区间上)以及边界条件的类型有关，也和边界条件中数值的大小有关。即使边界条件是合适的，但由于数值大小的不同，差分问题的稳定性都可能不同。例如可能在数值大的时候稳定，小的时候不稳定，也可能刚好相反。

物理边界条件是由确定的数学形式所描述的，是保证微分问题有解所必须的。但离散边界条件可以有多种形式，有的稳定，有的使计算发散。合理的边界条件不仅与边界条件本身有关，而且与选用的内点差分格式有关。有时数据格式需要比定解问题更多的边界条件，称为数值边界条件。数值边界条件也影响到计算的稳定性和精度。总的来说，边界条件处理的困难在于：处理方法无原则可循；常常需要补充数值边界条件；适当的边界条件处理使格式失去稳定性；用于初边值问题的稳定性分析法(模拟分析)技术性强，使用困难。

发明内容本发明所要解决的技术问题是，提供一种电极、喷嘴冷却水道流场仿真分析方法及等离子切割炬，设定合理的边界条件，对电极、喷嘴的冷却水道进行流场仿真分析，从而确定最佳的冷却水道结构，加强电极及喷嘴的冷却效果，延长其使用寿命，同时降低割炬结构的复杂程度，保证气流分布就均匀，提高割炬的可靠性。

本发明的技术方案如下：

一种电极与喷嘴冷却水道流场仿真分析方法，其特征在于：使用COSMOS/FloWorks进行流场仿真分析，包括以下步骤：

(1)、设定入口边界条件

设定入口边界条件为流量边界，类型为入口流速，方向为垂直于平面，针对喷嘴，流速大小为V＝3m/s，针对电极，流速大小为V＝2m/s；

(2)、设定出口边界条件

设定出口边界条件为压力边界，类型为静压，大小为一个标准大气压；

(3)、设定固体边界条件

平行于X轴方向的速度Vx＝0，垂直于X轴方向的速度Vy＝0；若对电极冷却水道进行分析省略这一步；

(4)、求解设置

设置单位制为国际单位制，设置流体类型为液体，设置分析类型为内部分析，设置壁面条件为绝热，设置计算精度为默认的3级，设置冷却水平均流速为收敛目标，若对电机冷却水道进行分析还需同时设置最小间隙为2.9mm，最小壁厚为1.2mm。

一种等离子切割炬，包括枪体、安装在枪体中的电极、与枪体卡接的喷嘴，其特征在于：还包括一体式绝缘体配流环，其与枪体螺纹连接；电极与喷嘴采用两只独立的冷却水道，其中，电极冷却水道穿过一体式绝缘体配流环与枪体，下部与电极螺纹连接，电极内腔与电极冷却水道相通；喷嘴内腔开设有环形喷嘴冷却水道，其与枪体内的冷却水道相通；喷嘴下部与喷嘴压帽卡接，喷嘴压帽上部与枪体螺纹连接。

所述的一体式绝缘体配流环上均布有四个进气孔，相邻两个进气孔的开孔方向相互垂直。

所述的喷嘴上部壁面有一弯折结构，电极的底面形状与弯折结构相配合。

所述的喷嘴冷却水道的内壁为弧形。

本发明的积极效果在于：(1)、使用COSMOS/FloWorks对所设计的喷嘴冷却水道及电极冷却水道进行流场仿真分析，设定合理的边界条件，从而为冷却水道的结构改进提供依据。

(2)、电极和喷嘴都采用水冷却，并为两只独立的冷却水流，加强电机与喷嘴的冷却效果，延长其使用寿命。且喷嘴及电极冷却水道的结构设计保障了冷却水流速的均匀，尽可能多地带走电极与喷嘴的热量，防止或尽量减小死水区，更加有利于电极与喷嘴的冷却。