8.2.1 問題描述

如圖 8-1 所示為 TIG 焊電弧幾何模型，焊接電流為 100A，保護氣體流量為4L/min，焊絲直徑為 1.5mm。試對焊接電弧溫度場、流場、電磁分布進行模擬。

圖 8-1 TIG 焊電弧幾何模型

8.2.2 問題分析

由圖 8-1可知，這是一個軸對稱模型，可以采用軸對稱建模方式進行建。為簡化計算，忽略電極、噴嘴及工件表面的溫度變化。流體區(qū)域為純氣，因電弧溫度較高，達到上萬開爾文，因此需要給定氬氣隨溫度變化的物理屬性。電弧屬于導(dǎo)電磁流體，需引入電場與磁場自定義標(biāo)量，并通過編寫 UDF 程序?qū)ο嚓P(guān)方程源項進行設(shè)置。

8.2.3 TIG 焊電弧流體力學(xué)模擬過程

1.電弧區(qū)域幾何模型的創(chuàng)建與網(wǎng)格劃分

流體力學(xué)軟件 Fluent本身并不支持幾何模型的創(chuàng)建與網(wǎng)格劃分，需要使用其他如ICEM-CFD、Hypermesh等前處理軟件進行幾何模型的創(chuàng)建與網(wǎng)格劃分。本實例選取Hypermesh作為前處理軟件，采用Hypermesh作為Fluent的前處理軟件時需要注意以下幾點。

1) 依據(jù) Fluent 軟件的要求，如果模型為 2D 軸對稱模型，則所建模型需保證x軸為對稱軸，且所有單元網(wǎng)格均位于x軸上方。

2) 與固體區(qū)域建模不同的是，流體計算模型需劃分邊界網(wǎng)格。

3) 對每個區(qū)域及邊界設(shè)定不同的集合，以方便在Fluent 中進行相關(guān)設(shè)置。電弧區(qū)域溫度高、梯度大，需要進行較細的網(wǎng)格劃分，以保證計算精度。TIG電弧 2D 模型及網(wǎng)格劃分如圖 8-2所示，共計產(chǎn)生 22361個節(jié)點，22768 個單元。將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)出并保存為CFD-Fluent的格式：TIGmesh.msh。

圖8-2 TIG 電弧 2D 模型及網(wǎng)格劃分

啟動 Fluent，在啟動界面中選擇 2D模型，并設(shè)置工作目錄，如圖8-3所示設(shè)置完成后單擊 OK按鈕。

圖8-3 Fluent 啟動界面

依次選擇File→Read→Mesh命令，導(dǎo)入.msh文件。在本例中導(dǎo)入先前建立的TIGmesh.msh 文件。導(dǎo)入后網(wǎng)格并不是默認顯示的，在Fluent 主界面的導(dǎo)航欄中選擇 General選項，并在General任務(wù)頁面單擊Scale(比例縮放)按鈕對模型進行縮放。導(dǎo)入的網(wǎng)格尺寸單位默認為m，在本例中需要改為mm。在Scale Mesh對話框中勾選 Specify ScalingFactors(指定縮放因子)單選按鈕,在 Scaling Factors文本框中輸入縮放系數(shù)0.001，并單擊下方的Scale 按鈕;在View Length Unit In(顯示長度單位)下拉列表中選擇以mm為單位顯示網(wǎng)格，如圖8-4所示。最后單擊 Close 按鈕關(guān)閉 Scale Mesh 對話框。

圖8-4 網(wǎng)格縮放

同樣，在General任務(wù)頁面對Solver(求解器)進行設(shè)置，選擇Time(時間模式)為 Transient(瞬態(tài)模式)，選擇2DSpace(二維空間模式)為Axisymmetric(軸對稱模型)。求解器設(shè)置完成后，單擊Check按鈕，檢查網(wǎng)格模型有無問題。如果有出錯信息，將在控制臺顯示。一般在Hypermesh 網(wǎng)格劃分及導(dǎo)入過程中會出現(xiàn)一定的偏差，如在本例中，控制臺顯示x、y最小坐標(biāo)值均小于0(圖8-5)，說明有部分網(wǎng)格落于x軸下方，并不符合Fluent對 2D軸對稱模型的要求。

根據(jù)提示信息，在控制面板輸入“>/mesh/repair-improve/repair”可解決此問題。再次單擊 Check 按鈕，并確保沒有出錯信息。然后單擊Display(顯示)按鈕，在打開的 Mesh Display 對話框中保持默認設(shè)置，并單擊 Display 按鈕，將模型網(wǎng)格顯示于圖形窗口。

2.激活相關(guān)模型

由于本例要計算電弧溫度場，需要激活能量方程。在 Fluent主界面的導(dǎo)航欄中選擇Model選項下的Energy選項，在打開的Energy(能量)對話框中勾選Energy Equation(能量方程)復(fù)選框，如圖8-6所示。

圖8-6 激活能量方程

在 Models 任務(wù)頁面中保持黏性模型為 Laminar(層流)不變，并不用激活其他模型。

3.編寫并加載 UDF

UDF采用C語言格式編寫，在文件開始聲明包含udf.h頭文件：

在本例中，主要利用 UDF 實現(xiàn)以下主要功能。(1)定義UDM與UDS定義 UDM，如：

這樣，UDM-0被定義成了x方向的電流密度J，并需在后續(xù)的程序中給定。定義 UDS，如：

采用枚舉函數(shù)定義 UDS，這樣電勢 Vx方向矢勢 A 和y方向矢勢 A,被分別定義成 UDS-0、UDS-1 和 UDS-2。

(2)定義溫度相關(guān)電導(dǎo)率

電導(dǎo)率的設(shè)定采用DEFINE DIFFUSIVITY宏，如：

(3)電弧引弧(點火)設(shè)置

氬氣在 5000K 以下時，電導(dǎo)率非常小，電弧無法引燃，需要在開始計算前人為地在電弧區(qū)域設(shè)定一個高溫區(qū)域，實現(xiàn)引燃電弧的作用。這部分功能可以通過Patch(修補)功能實現(xiàn),也可以通過 UDF 進行設(shè)定。在 UDF 中可通過 DEFINE INI宏實現(xiàn)在電弧區(qū)域設(shè)定一個初始的高溫(如15000K)。在菜單欄選擇User→Defined-Function Hooks 命令，打開 User-Defined Function Hooks 對話框，在此對話框中，單擊 Imitialization 后面的 Edit 按鈕，選擇 UDF 中的點火函數(shù)，如圖 8-7所示。

圖8-7 UDF 初始化關(guān)聯(lián)

(4)相關(guān)源項設(shè)置

在本例中，模擬的電弧過程是一個定常過程，故無質(zhì)量源項。由于電磁場的引入會產(chǎn)生洛倫茲力，因此需對動量方程的源項進行設(shè)定。能量方程中存在焦耳熱、電子輸運焓及輻射散熱，因此需要對能量方程源項進行設(shè)定。上述源項可以在 UDF 中通過 DEFINE SOURCE 宏進行設(shè)置。編寫完 UDF 后，保存并命名為TIG 2D.c.

在本例中，采用編譯方法編譯并加載 UDF。依次選擇 User-Defined→Functions-Compiled 命令，打開 Compiled UDFs 對話框，單擊 Source File 下的 Add 按鈕，并選擇先前編寫的 TIG 2D.c源程序。在 Library Name 文本框中輸入“tig udf”作為編譯后的庫名，然后依次單擊 Build 按鈕和 Load 按鈕完成 UDF 的編輯和加載如圖 8-8 所示。

圖8-8 UDF 的編譯和加載

4.設(shè)置 UDS 的個數(shù)

依次選擇 User-Defned-Scalars 命令，打開User-Defined Scalars 對話框，在Number ofUser-Defined Scalars 文本框中輸入“3”，共設(shè)定3個UDS，即電勢Vx方向矢勢 4 和y方向矢勢 y。本例中 UDS 輸運方程均無非穩(wěn)態(tài)項與對流項,在 Flux Function 下拉列表與 Unsteady Function下拉列表中選擇None 即可，如圖 8-9 所示。

圖8-9 自定義標(biāo)量設(shè)置

（內(nèi)容、圖片來源：《焊接過程數(shù)值模擬》一書，侵刪）

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