有关焊接烟尘的论文.doc

目录第一章绪论 21.1计算流体力学概述 21.2数值模拟过程 31.3控制方程的离散方法 61.3. 1有限差分法 61.3.2有限元法 61.3.3有限体积法 61.4计算流体力学软件结构 61.4. 1 前处理器 (preprocessor) 61.4.2求解器 71.4.3后处理器 71.5常用的求解器FLUENT简介 8第二章流体流动的数学模型 102. 1连续性方程 102. 2动量守恒方程 102. 3能量守恒方程 112. 4 组分质量守恒方程 11第三章二氧化碳气体保护焊 123.1二氧化碳气体保护焊简介 123. 2C02气体保护焊的基本原理 163. 2.1合金元素的氧化及脱氧方法 16二氧化碳气体保护焊气流流动模拟扌商要：二氧化碳气体保护焊在各种焊接方法中占有重要的地位，在焊接过程中， 它具有焊接成本低、生产效率高、操作简便、焊缝抗裂性能高、焊缝低氢且含量 也较少、焊后变形较小等优点并且还具有很大的经济优势但是，二氧化碳气 体保护焊在焊接过程中会产生的有害气体和烟尘进行C02气保焊接时，在焊接 区域，电弧周围会产生一些有害物质C02气保焊接产生的有害物质可分为两类, 一类是有害气体，主要是二氧化碳（C02）、一氧化碳（CO）、二氧化氮（N02） 和臭氧（03） o 一类是烟尘，其主要成分是三氧化二铁（Fe203）、二氧化硅（Si02） 和氧化猛（MnO）等。

这些有害物质，除了二氧化碳是为了保护电弧和熔池，从 焊枪中喷出的，焊接没有用完而残存在焊接区域周围，其余的有害物质都是从焊 接电弧和焊接熔池中产生出来的产生的烟尘废气对焊工的健康也产生着不可忽 视的危害通过FLUENT软件模拟二氧化碳气体保护焊的情景，计算焊接烟尘和 废气的流动情况，找出合理的方法保护焊工的身体健康关键词：二氧化碳保护焊焊接烟尘焊工健康Co2gasshieldedweldingairflowsimulationAbstraCtlcarbondioxidegasshieldedarcweldingisveryimportantinallkindsofwelding methods,theweldingoflowcarbonsteelandlowalloysteehhasagreatdealofeconomicadvan tages.However,carbondioxidegasshieldedarcweldingintheweldingprocessofsmokeexha usttothehealthofweldershavetheharmcannotbeignored.Throughthetwosoftwaregambita ndFLUENTcooperationsimulationofco2gasshieldedwelding,calculatetheflowofweldin gsmokeandexhaust.findoutthereasonablemethodstoprotectweldefshealth.Keywords:co2shieldedweldingweldingsootwelder,shealth第一章绪论1.1计算流体力学概述流体的流动和流体的传热现象大量的存在于多种工程领域和大口然，通常, 在本科的“流体力学”课程中，主要教授一元流动和引入平均速度后的近似一元 流动。

什么是一元流动呢，一元流动是说有关物理量只和一个空间坐标有关，但 是，在实际流动中，很多流动都不是一元流动，即使是在直径均匀圆管中流动， 当考虑流体的速度吋，在圆柱坐标系当中，当Z轴与管轴线相重合时，还当做二 元流动；在直角坐标系当中，就是三元流动为了了解和预测流动情况，必须得 到控制流体流动过程的相关物理量，在流场中各点的具体数值和变化的状况，理 论上的方法是求解物理量所满足的能量方程、运动方程和连续性方程等流体流动 的基本方程但是，对非一元流动，这些方程通常为非线性的偏微分方程，只冇 很少的流体流动问题可以得到解析或摄动解所以，找到数值解是解决流体流动 和传热问题的重要方法之一计算流体力学的基本思路冇以下几种:把原来在时间域及空间域上连续的物 理量用一系列有限个离散点上的变量值的集合來代替，通过一定的原则和方式对 流体基本方程进行离散，建立起离散点上的变量值之间关系的代数方程组，然后 求解代数方程组获得变量的近似值计算流体力学是研究在流动基本方程控制下流动的数值模拟方法数值模拟 是“在计算机上实现的一个特定的计算，通过数值计算和图像显示履行一个虚拟 的物理实验一一数值实验(P・J・ Roache, 1983)” o通过这种数值模拟，可逆得到 极其复杂问题的流场内每个位置上的基本物理量的分布，比如速度、压力、温度、 浓度等。

还有这些物理量随时间的变化情况，就可以确定漩涡分布特征、空化特 性和脱硫区等；还能根据这些算出其他的物理量，比如旋转式流体机的转矩、流 动损失和效率等此外，和CAD结合述可以进行结构优化设计等近十多年來，计算流体力学获得了巨大的发展，大部分有关流体流动、热质 交换、分子输运等现象的问题，几乎都是可以使用流体力学的方法进行分析和模 拟计算流体力学不仅仅是当做-个研究工具，还是一个在土木工程、水利工程、 环境工程、食品工程、工业制造和海洋结构工程等领域发挥着关键作用的设计工 具1.2数值模拟过程对流体流动进行数值模拟，一般包括下而的步骤：(1) 建立反映工程问题木质的数学模型建立反映各个物理量Z间的关系的微分方程及相应的定解条件，这就是数值 模拟方法的出发点数学模型必须建立止确，这样，数值模拟才能有意义流体 运动的基本方程，包括能量方程，连续性方程和运动方程，和这些方程对应的定 解条件2) 寻求高效率，高准确度的计算方式可以建立主耍针对控制方程的数值离散化的方法，比如冇限体积法、冇限差 分发、有限元法等这里，计算方法不但包含贴体坐标和计算网络的建立、边界 条件的处理等这些都是计算流体力学研究的主要内容。

3) 编制程序和进行计算这个步骤是整个工作的主要部分4) 显示计算结果一般来说，计算结果是通过曲线与图像的方式來显示的，因此，这对结杲的 分析和检具冇更重要的作用对于恒定流动问题，数值模拟过程可以用图1.1表示，如果是非恒定问题， 那么久可以把这个图的过程理解成一个时间步的计算过程，循环这一过程求解下 一个时间步的变量值建立控制方程确立定解条件\/求解离散方程1・3控制方程的离散方法经过五十多年的发展，已经形成了很多流体力学的数值解法这么多方法之 间的主要区别就是对于控制方程的离散方式下而的三种方法被流体力学计算领 域广泛应用1.3. 1有限差分法应用最早，最经典的方法就是有限差分法它把需要求解计算的的区域划分 成差分网格，用有限的节点代替连续的求解区域，然后将偏微分方程的导数用差 商代替，然后，推导岀含冇离散点上冇限个未知数的差分方程组最后求解方程 组，得到微分方程定向问题的数值近似解他是一种可以把微分问题转变为代数 问题的近似数值解法，这种方法起步早，发展时间长，比较成熟，比较多的用于 解决抛物型问题和双曲型问题在这个基础上发展起来的方法述有： PIC (Paritcle-in-cell)法、MAC (Marker-and-cel 1),还有美籍华人学者陈景仁 捉出的冇限分析法(FiniteAnalyticMethod, FAM)等。

1.3.2有限元法有限元法是从二十世纪八十年代开始应用他汲取了冇限差分法中离散处理 的内核，有采用了变分计算中“选择逼近函数对区域进行积分”的有效方法因 为有限元法的求解速度相对有限差分法和有限体积法慢，所以，成为了在计算流 体中应用不是特别广泛的原因1.3.3有限体积法有限体积法，(又称为冇限容积法)，是把流体计算区域划分成一系列控制 体积，把待分解微分方程对每一个控制体积积分得出离散方程他的主要问题是 在导出离散方程的过程中，必须对界面上的被求函数本身及其导数的分布做出一 种特定的假设用他导出的离散方程就能够保证具冇守恒特性并冃离散方程系 数物理意义明确，计算的量会比较小1.4计算流体力学软件结构1.4. 1 前处理器(preprocessor)用于完成前处理工作用于完成前处理工作前处理环节是向CFD软件输入 所冇相关数据，该过程一般是借助与求解器相对应的对话框等图形界面來完成 的在前处理阶段需要用户进行下面的工作：① 定义所求问题的几何计算域；② 将计算域划分成多个互不重叠的了计算域，形成了由单元组成的网格③ 对所冇要求研究的流动现象进行抽象，建立物理模型，选择相应的控制 方程④ 定义流体的属性参数。

⑤ 为计算域边界处的单元指定边界条件⑥ 对于恒定流动问题，指定初始条件流动流体问题的解是在单元内部的节点上定义的，解的精度冇网络中单元的 数量来决定的通常来说，单元格越多、尺寸越小，所得到的解的精度越高，但 是所需要的计算机内存资源(CPU)也相应增加所以为了提高计算精度，在物 理量梯度比较大的区域，以及人们感兴趣的区域往往要加密计算网格子前处理 阶段制作计算用的网格时，关键是要掌握好计算精度与计算成木Z间的平衡目前，在使用商用软件惊二进行计算时，冇超过50%以上的时间花在集合区 域的定义和计算网格的生成上可以使用CFD软件自身的前处理器来生成几何模 型，也可以借用其他商用CFD或CAD/CAE软件来提供儿何模型此外，指定流体 参数的任务也是前处理阶段进行的1.4.2求解器求解器(solver)的核心是数值求解方案我们经常用的数值求解方案包括冇 限差分、有限元和有限体积法等总的来说，这些方法的求解过程大致相同，通 常包含以下步骤：① 借助简单函数来近似表示待求的流动变量② 将该近似关系带入连续型控制方程中，形成离散方程组③ 求解代数方程组通常来说，各种各样的数值求解方案的主要区别在于流动变量被近似的方式 及相应的离散化过程不同。

1.4.3后处理器后处理的0的是冇效的观察和分析流体流动的计算结果随着计算机图形功 能的提高口前的CFD软件均配置了后处理器，提供了完善的后处理功能，包括：① 计算域的儿何模型及网格显示② 矢量图③ 等值线图④ XY散点图⑤ 粒子轨迹图、⑥ 云图⑦ 图像处理功能借助后处理功能，您还可以动态模拟流动效果，直观的了解计算结果1.5常用的求解器FLUENT简介FLUENT是由美国FLUENT公司在一九八三年推出的CFD软件，他是继 PHOENTCS软件之后的第二个投放市场的基于冇限元体积法的软件，也是寸询功 能最全面、实用性与适用性最广、国内使用最广泛的CFD软件之一FLUENT提供了非常灵活的网格特性，让用户可以使用非结构网格来解决具 冇复杂外形的流动，茯至可以用混合结构网格他允许用户根据情况对网格进行 修改（细化/粗话）FLUENT使用GAMBIT作为前处理软件，他可以读入多种CAD 软件的三维几何模型和多种CAE软件的网格模型FLUENT可用于二维平面、二 位轴对称和三维流动分析，可完成多种参考系下流场模拟、恒定与非恒定流动分 析、不可压缩流体和可压缩流体计算、层流和湍流模拟、传热和热混合分析、化 。