基于COSMOS/FloWorks的割炬电极冷却水道优化

郝增奎

等离子切割是利用高能密度压缩电弧产生的高温高速热流进行切割的方法，其原理主要是依靠高温高速的等离子弧及其焰流，把部分金属熔化及蒸发，并吹离基体，随着等离子割炬的移动而形成切缝。由于等离子弧柱的温度远远超过目前绝大部分金属及其氧化物的熔点，所以它可以切割的材料很多，而且等离子切割速度快，切割面光滑，如今已在国内外获得广泛使用，特别是在造船业应用更为广泛。
等离子弧切割时电极是易损件，如空气等离子弧切割，电极寿命一般为1~2h，氧等离子弧切割电极烧损更严重。为了延长电极的寿命，除了选用合适的电极材料与合理的工艺措施，主要是加强电极的冷却，在大功率割炬中的电极都是采用水冷却。本文就是用CFD软件COSMOS/FloWorks对如图1所示的电极冷却水道进行分析，并对其水道进行结构优化，使之更加有利于电极的冷却。


1 计算结果及分析
此计算模型存在一个对称面，我们可以在对称面处设置对称边界条件，这样做可以节省计算机资源，减少计算时间。设定进口的边界条件为flow openings，类型为inlet velocity，方向为normal to face，大小为2m/s。出口边界条件为pressure opening，类型为static pressure,在流场计算中，所关心的是流场中各点之间的压差，而不是绝对值，所以一般给出的是出口处的压力相对值，本文默认为一个标准大气压。
从计算结果可以看出电极前端处的流场情况近似于轴对称，且主要是研究电极前端处的流场情况，所以可以只截取前端处流场剖面图来进行研究。前端处冷却水的流速矢量图如图2所示。图中箭头显示流速大小和方向的变化，箭头越大，速度越大，箭头的方向代表了合速度的方向。从图2可以清楚地看到出水口四周有漩涡产生。
我们通过轨迹线图的方法来研究电极冷却水道冷却面附近的冷却水流速。所谓轨迹线图，指结果沿着一条任意定义的曲线上项目值的变化，也就是说，它通过一条曲线，在数据库中提取这条曲线上的项目数据，然后通过列表或者图形显示。其中曲线图是最直观的方式之一，能够反映一个量随另一个量的变化。作一条如图2中所示的轨迹线。
图3轨迹线曲线图为沿着图$ 中轨迹线冷却水流速的变化情况。从中可以看出，最大流速并不在中心处，而是在离开中心处一段距离的四周，这是因为冷却水是垂直冲向前内壁面的，然后向四周扩散。前内壁面处流速偏低，最大流速为1.4m/s，最小流速为0.6,m/s。最小流速处在直角拐弯处。
2 冷却水道结构的改进
为了加强电极前内壁面的冷却，使进水管道出水口与前内壁面的距离从2mm减小至0.5mm，减小此处的水流通路截面面积，从而加大冷却水的流速；为了改善直角拐弯处的冷却情况，在直角处开个半径为1mm的圆弧。
图4是结构改进后的电极前端冷却水的流速矢量图。进水管出口处外壁面有回流存在。
图5轨迹线曲线图是沿着图4轨迹线冷却水流速的变化情况。对比图3与图5可以看出电极前内壁面的冷却水流速有较大提升，从而可以得出减小冷却水流通截面面积对加强冷却是很有益的。由于在直角处开了圆弧，此处冷却水流速有很大提升，冷却水流速从0.6m/s左右提升到了1.2m/s左右。虽然改进后曲线开端处流速稍有下降，这并不影响整体冷却状况的改善，而且我们更加关注的是前内壁面处的冷却水流速
3 结语
(1)对等离子割炬电极冷却水道进行流场仿真分析，可得出流速分布图，从而为结构优化提供依据；
(2)直角拐弯处的冷却水流速往往是最低的，通过在此处开圆弧的方法可解决这个问题；
(3)从本文对电极冷却水道的结构优化可以得出对此类电极冷却的一个基本原则，加大进水的水流通路截面面积，尽量减小需要强冷却壁面处水流通路截面面积，从而能很好地加大需强冷却壁面的冷却水流速。