王仲勋，施乐军

（1.烟台职业学院船舶工程系，山东烟台264670；2.安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南232001）



基于热-流耦合的等离子割炬电极结构分析

王仲勋1，2，施乐军1

（1.烟台职业学院船舶工程系，山东烟台264670；2.安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南232001）

摘要：应用计算流体力学的方法，利用CFD软件SolidWorks FlowSimulation对3种电极结构在充分考虑电极冷却水流场和温度场的情况下进行数值模拟。通过分析不同结构在不同冷却水流速度下的温度云图和温度曲线图，确定其最优结构。

关键词：等离子割炬；电极冷却；热-流耦合；CFD

等离子切割是现代工业中最常用的金属切割方式。作为等离子割炬最重要的组件之一，电极结构及工作机理极其复杂，实物实验研究难度很大。同时，作为等离子割炬的关键元部件，电极对切割效率、质量和经济性能有直接影响。电极材料的选择应考虑电子发射能力强、导热导电性能好、熔点高等因素，如钨、钍钨、铈钨棒、铪（Hf）、锆（Zr）及其合金、RE（60%）＋Y2O3（40%）烧结合金、Ru（80%～85%）＋Y2O3（15%～20%）烧结合金、Ir（85%）＋Y2O3（15%）烧结合金等，也可采用镶嵌式电极。常用的工作气体有氩氮、氢氮、氢氩、氩、氮、氧、压缩空气、氧气等。本研究工作气体选用空气，电极材料为铪，采用镶嵌结构，割炬功率较大故选择直接水冷方式。初定3种电极结构如图1所示。

图1 3种电极结构示意

电极冷却是考虑流场和温度场交叉作用的热-流耦合分析。由于等离子割炬工作原理复杂，实物试验难以实现，因此进行热-流耦合分析非常必要。

本文基于CFD（Computational Fluid Dynamics）软件SolidWorks FlowSimulation对现有3种电极结构进行热流耦合流场分析，得到多种冷却水流速度下两种结构的温度云图和轨迹线温度曲线图，并对电极结构进行优化设计。……