[发明专利]一种模拟分析电弧等离子体的装置和方法

说明书

本发明公开了一种模拟分析电弧等离子体的装置和方法，涉及到分析冶金行业中电弧等离子体预测方法。具体实施方式包括：建模模块；激活模块；第一设置模块；第二设置模块，至少设置两个入口速度；配置模块，用于配置求解器，并使求解器动态连接控制方程；求解模块用于利用求解器对每个入口速度对应的模拟数据进行求解计算得到模拟结果；处理模块用于处理模拟结果生成不同入口速度对应的电弧温度分布图和电弧中心轴线速度分布图。该实施方式能够模拟真实电弧的形成过程，实现对不同入口速度的电弧等离子体的分布特征进行研究，避免了实际操作测量电弧特征的困难性，提高了工程应用的效率。

技术领域

本发明涉及到分析冶金行业中电弧等离子体预测方法，具体是利用fluent软件模拟分析电弧等离子体的装置和方法。

背景技术

等离子体被称为物质的第四态，是由分子、原子、离子、电子和质子组成的电离气体，整体呈现电中性。电弧等离子体具有能量集中、温度高、能量密度大等优点，被广泛应用于材料加工、冶金生产等领域，可以用来熔化废钢，加热钢液，弥补钢液温降等。电弧等离子体是包含电场、磁场、流场和温度场之间强耦合的过程。同时，氩气等离子体的热力学参数随温度发生剧烈变化，通过实验测量电弧温度场和流场存在一定的困难。为了更好地了解电弧的传热过程，使用数值模拟的方法来研究其内部的流动和传热就成为了一种必然的选择。

而现有的技术方案主要涉及获取等离子体电弧的方法以及电弧等离子发生的设计，并未提及基于模拟的方法来预测电弧特征。电弧等离子体形成过程涉及了复杂的多物理场耦合，若想探究不同入口速度对电弧等离子特性的影响，现场实验测量存在困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，实验研究测量电弧等离子体区域的数据技术要求高、难度大，难以探究不同入口速度对电弧等离子特性的影响。本发明提供了一种利用模拟计算的方式探究电弧等离子体的分布特征的方法和装置。

为了解决上述技术问题，根据本发明实施例的一个方面，提供了一种模拟分析电弧等离子体的装置，包括：

建模模块，用于建立电弧等离子体的几何模型，并对所述几何模型进行网格划分；

激活模块，用于为所述几何模型激活黏性模型标签并设置为层流，激活能量方程标签，调用UDF以源项的形式，将焦耳热项、电子焓运输项和等离子体辐射热损失项添加到能量守恒方程中、以及将洛伦兹力添加到动量守恒方程中，调用UDS添加电流连续性方程；

第一设置模块，用于为所述几何模型设置工质气体，并调用UDF将所述工质气体的物性参数添加到控制方程中；其中，所述控制方程包括连续性方程、所述动量守恒方程、所述能量守恒方程和麦克斯韦方程组；

第二设置模块，用于为所述几何模型设置边界条件，并至少设置两个入口速度；

配置模块，用于将求解器设置为稳态求解、求解方法选择SIMPLE算法、梯度插值选择基于单元体的最小二乘法差值、以及其余变量采用二阶迎风格式离散；调整所述求解器的松弛因子；并使所述求解器动态连接所述控制方程；

求解模块，用于利用所述求解器对每个所述入口速度对应的模拟数据进行求解计算，得到每个所述入口速度的模拟结果；

处理模块，用于处理所述模拟结果，生成不同所述入口速度对应的电弧温度分布图和电弧中心轴线速度分布图。

可选地，所述建模模块还用于：

利用ICEM在柱坐标系下建立二维轴对称的几何模型；

对所述几何模型采用结构化网格进行划分，并使网格总数量小于预设格数；

将ICEM建立的所述几何模型导入Fluent。

可选地，所述第一设置模块还用于：