有关焊接烟尘的论文

目录TOC\o"1-3"\h\u21519第一章绪论 245481.1计算流体力学概述 2133001.2数值模拟过程 354831.3控制方程的离散方法 6192331.3.1有限差分法 6176921.3.2有限元法 6188191.3.3有限体积法 6230941.4计算流体力学软件结构 6121841.4.1前处理器（preprocessor) 6136781.4.2求解器 7319151.4.3后处理器 773361.5常用的求解器FLUENT简介 87113第二章流体流动的数学模型 81392.1连续性方程 8280402.2动量守恒方程 9204102.3能量守恒方程 9319572.4组分质量守恒方程 919678第三章二氧化碳气体保护焊 1080373.1二氧化碳气体保护焊简介 10178843.2CO2气体保护焊的基本原理 1416633.2.1合金元素的氧化及脱氧方法 14二氧化碳气体保护焊气流流动模拟摘要：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CO2气保焊接时，在焊接区域，电弧周围会产生一些有害物质。CO2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（CO2）、一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO2）和臭氧（O3）。一类是烟尘，其主要成分是三氧化二铁（Fe2O3）、二氧化硅（SiO2）和氧化锰（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Co2gasshieldedweldingairflowsimulation

Abstract:carbondioxidegasshieldedarcweldingisveryimportantinallkindsofweldingmethods,theweldingoflowcarbonsteelandlowalloysteel,hasagreatdealofeconomicadvantages.However,carbondioxidegasshieldedarcweldingintheweldingprocessofsmokeexhausttothehealthofweldershavetheharmcannotbeignored.ThroughthetwosoftwaregambitandFLUENTcooperationsimulationofco2gasshieldedwelding,calculatetheflowofweldingsmokeandexhaust,findoutthereasonablemethodstoprotectwelder'shealth.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自然，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，当考虑流体的速度时，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，只有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有以下几种: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来代替，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——数值实验（P.J.Roache,1983)”。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结合还可以进行结构优化设计等。近十多年来，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一个研究工具，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，一般包括下面的步骤：建立反映工程问题本质的数学模型建立反映各个物理量之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。数学模型必须建立正确，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。寻求高效率，高准确度的计算方式可以建立主要针对控制方程的数值离散化的方法，比如有限体积法、有限差分发、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。编制程序和进行计算这个步骤是整个工作的主要部分。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来显示的，因此，这对结果的分析和检具有更重要的作用。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。确立定解条件确立定解条件求解离散方程建立控制方程划分计算网格，生成计算节点建立离散方程离散定解条件定给求解控制参数求解离散方程求解是否收敛？否是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。下面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，推导出含有离散点上有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还有：PIC(Paritcle-in-cell)法、MAC(Marker-and-cell)，还有美籍华人学者陈景仁提出的有限分析法(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。他汲取了有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，（又称为有限容积法），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有守恒特性。并且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软件输入所有相关数据，该过程一般是借助与求解器相对应的对话框等图形界面来完成的。在前处理阶段需要用户进行下面的工作：定义所求问题的几何计算域；将计算域划分成多个互不重叠的子计算域，形成了由单元组成的网格。对所有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。定义流体的属性参数。为计算域边界处的单元指定边界条件。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，解的精度有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本之间的平衡。目前，在使用商用软件惊=进行计算时，有超过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软件来提供几何模型。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有限差分、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：借助简单函数来近似表示待求的流动变量。将该近似关系带入连续型控制方程中，形成离散方程组。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后处理器后处理的目的是有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目前的CFD软件均配置了后处理器，提供了完善的后处理功能，包括:计算域的几何模型及网格显示。矢量图。等值线图。XY散点图。粒子轨迹图、云图。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PHOENICS软件之后的第二个投放市场的基于有限元体积法的软件，也是目前功能最全面、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有复杂外形的流动，甚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、化学组分混合和反应分析、多相流分析、固体与流体耦合传热分析、多孔介质分析等。它的湍流模型包括к-ε模型、Reynolds应力模型、LES模型、标准壁面函数、双侧近壁模型等。FLUENT可让用户自定义多种边界条件（如流动入口及出口边界条件、壁面边界条件等），可采用多种局部的笛卡尔和圆柱坐标系的分量输入，所有边界条件均可随时间和空间变化，包括轴对称和周期变化等。FLUENT提供的用户自定义子程序功能，可以让用户自行设置连续性方程、运动方程、能量方程或组分输运方程中的体积源项，自定义边界条件、初始条件、流体的物性、添加新的标量方程和多孔介质模型等。1.6FLUENT的运用领域FLUENT软件是目前市场上最流行的CFD软件，它在美国的市场占有率高达60％，它具有丰富的物理模型、先进的数值计算方法和强大的后处理功能，所以得到广泛的应用。其模拟能力可以从机翼空气流动到熔炉燃烧，从鼓泡塔到玻璃制造，从血液流动到半导体生产，从洁净室到污水处理的设计，另外还扩展了在旋转机械、气动噪声、内燃机、多相流系统等领域的应用。FLUENT可以计算的流动类型如下。●任意复杂外形的二维／三维流动。●可压、不可压流。●定常、非定常流。●无黏流、层流和湍流。●牛顿、非牛顿流体流动。●对流传热，包括自然对流和强迫对流。●热传导和对流传热相耦合的传热计算。●辐射传热计算。●惯性(静止)坐标、非惯性(旋转)坐标下中的流场计算。●多层次移动参考系问题，包括动网格界面和计算动子／静子相互干扰问题的混合面等。●化学组元混合与反应计算，包括燃烧模型和表面凝结反应模型。●源项体积任意变化的计算，源项类型包括热源、质量源、动量源、湍流源、化学组分源项等形式。●颗粒、水滴、气泡等弥散相的轨迹汁算，包括弥散相与连续项相耦合的计算。●多孔介质流动计算。●用一维模型计算风扇和换热器的性能。●两相流，包括带空穴流动计算。●复杂表面问题中带自由面流动的计算。简而言之，FLUENT适用于各种复杂外形的可压和不可压流动计算。李进良，李承曦等编著,精通FLUENT6.3流场分析,化学工业出版社,2009.10,第16页流体流动的数学模型2.1连续性方程质量守恒方程又称连续性方程，流体内所有质点的运动问题都要满足质量守恒定律。该定律可以表述为：在一定时间内流体微元体中增加的质量与相同时间内流入该微元体的净质量相等。根据这一定律，我们可以得出质量守恒方程为：（2.1）该方程是质量守恒方程的一般形式，它适用于可压缩流动和不可压缩流动，式中，ρ是密度，t是时间，V是速度矢量，Sm是源项。2.2动量守恒方程和质量守恒定律一样，动量守恒定律也是一个所有流体流动系统都必须遵守的守恒定律，其本质是牛顿第二定律该定律，可以这样表述：外界作用在微元体上各种力之和与微元体中流体的动量对时间的变化率相等。根据这个定律，可以得出在惯性（非加速）坐标系中的动量守恒方程：（2.2）式（2.2）对所有类型的流体都是成立的，式中g和F分别代表作用在微元体上的体积力，包括重力和其他外部体积力（如磁场力、电场力等），F还包括如多孔介质、相间相互作用力等其他的模型相关源项；p是流体微元体上的压力（静压）；τ是粘性应力张量。2.3能量守恒方程能量守恒定律是所有涉及热交换的流体流动问题都必须遵守的基本守恒定律，它实际上是热力学第一定律。该定律可表述为：微元体中能量的增长率与进入微元体的净热量通量和体积力与表面力对微元体所做的功之和相等。具体表达形式如下：（2.3）2.4组分质量守恒方程在一个特定的系统中，可能存在质的交换，或者存在多种化学组分，每一种组分都遵守组分质量守恒定律。根据组分质量守恒定律，采用推到连续性方程的方法，可得出组分s的质量守恒方程：（2.4）用直角坐标系中的张量形式表示为：式中Cs——组分s的体积浓度；cs——组分s的质量浓度；Ds——组分s的扩散系数；Ss——系统内部单位时间内单位体积通过化学反应产生的该组分的质量，即生产效率。因此，各组分质量守恒方程之和就是总的连续性方程，系统如果共有z个组分，那么只有z-1个独立的组分质量守恒方程。一种组分的质量守恒方程实际上就是一个浓度传输方程。当流体中含有某种污染物时，污染物质在流动情况下除有扩散外还会随流体运输，即传输过程包括对流和扩散2部分，污染物的浓度随时间和空间而变化，因此，组分质量守恒方程有些情况下称为浓度传输方程，或称为浓度方程。第三章二氧化碳气体保护焊3.1二氧化碳气体保护焊简介在电弧焊接中，为了获得性能良好的焊缝，必须设法保护电弧区域和融池区域，防止空气中的有害气体入侵。如何保护呢？目前在生产生活中一般采用以下三种方法：在焊芯上涂覆药皮，焊接时药皮融化，产生气体和熔渣，起到保护作用，这是手工电弧焊的保护方法。如图3-1所示。在焊接区域撒放一层焊剂，焊接时一部分焊剂融化，产生气体和熔渣，严密地保护融池和遮盖电弧，这是埋弧焊的保护方法。如图3-2所示。利用从喷嘴中送出的保护气流，使熔池和电弧区域与周围的空气隔开，达到保护的目的，这就是气体保护焊的保护方法。如图3-3所示。气体保护焊简称气电焊，常用的保护气体有氩、氦、二氧化碳（CO2)或混合气体等。CO2气体保护焊就是用CO2作为保护气体的一种焊接方法。这种方法根据用途的不同大致可以分为半自动焊、自动焊、自动堆焊、点焊等。按所使用的焊丝不同，又可以分为实芯焊丝、粉芯焊丝及粗丝、细丝等。所用的设备大同小异。图3-4为CO2气体保护半自动焊接设备。CO2气体保护焊时，使用成盘的焊丝，焊丝由送丝机经过软管和焊枪的导电咀送出。电源的两输出端，分别连接焊枪和工件。焊丝与工件接触后产生电弧，在电弧高温作用下，工件局部融化形成融池，而焊丝端部也不断融化，形成熔滴过渡到融池中去。同时，从气瓶中送出的CO2气经过预热，干燥后，通过减压器减压，以一定的压力和流量从焊枪的喷嘴中喷出，形成一股保护气流，使得融池和电弧区与空气隔离。随着焊枪的移动，融池凝固成焊缝，从而将被焊工件连接成一个整体。CO2气体保护焊过程中，焊丝是连续自动送进来的，可以不间断的进行焊接。焊枪的移动方法可分为手动和自动两种。用手移动焊枪时，就称为半自动焊；用机械方法使得焊枪与工件相対移动时，就称为自动焊。CO2气体保护半自动焊具有手工电弧焊的机动性，适用于各种焊缝的焊接。CO2气体保护自动焊，主要用于较长的直缝、环缝，以及某些不规则的曲线焊缝的焊接。CO2气体保护焊是五十年代发展起来的一项新工艺，和其他电弧焊接方法比较，它具有以下优点：生产效率高：由于CO2气体保护焊的焊接电流密度较大，电弧热量利用率较高，及焊后不需要清理熔渣等原因，生产效率比手工电弧焊及埋弧办自动焊提高百分之五十以上。成本低：CO2气体价格便宜，所以CO2气体保护焊的成本仅为手工电弧焊和埋弧焊的百分之四十到百分之五十左右。耗电量少：CO2气体保护焊消耗的电能约为埋弧焊的百分之七十，因为埋弧焊时，有相当大的一部分热量消耗在融化焊剂上。焊接变形的内应力小：CO2气体保护焊时，电弧加热集中，工件受热面积小，同时CO2气流有较强的冷却作用，所以焊接变形和内应力均小，特别是用细焊丝焊接薄板件时，这一优点尤为突出，一般结构焊后可以不必调修。焊接质量高：CO2气体保护焊是一种低氢的焊接方法，焊缝含氢量少，抗裂性好。其抗裂性能优于埋弧焊和低氢焊条手工电弧焊。焊缝金属机械性能优良。抗油锈能力强，焊缝内不易产生气孔，对工件焊前清理的要求低。操作简便：CO2气体保护焊是一种明弧焊接法，可以观察到电弧和融池的情况。和手工电弧焊相比，不要求熟练的技巧，容易掌握，与埋弧焊相比，不易焊偏，而且不需要撒放和回收焊剂，改善了劳动条件，更易于实现机械化和自动化。适用范围广：CO2气体保护焊不仅能焊接碳钢，也能焊接低合金钢、高强钢，还可以焊接不锈钢及耐热钢。不仅能焊接薄板，也能焊接中、厚板。不仅适用于平焊，也能进行全位置焊。不仅适用于机车车辆的制造，也适用于修理，例如堆焊磨耗和焊补铸铁等。但是事物总是一分为二的，CO2气体保护焊不可避免的也存在一些不足之处：飞溅较大，这是CO2气体保护焊的主要缺点。焊缝表面成型不如埋弧焊或氩弧焊美观。弧光较强，特别是大电流焊接时，电弧的光热辐射均较强。很难用交流电源进线焊接，设备比手工电弧焊复杂。不能焊接容易氧化的有色金属。由于CO2气体保护焊具有上述一系列的突出优点，而其不足之处如飞溅大及焊缝形成较差等问题，随着人们对其认识的深化，不断改进设备及工艺，将逐步得到克服。因此，在机车车辆制造和修理生产中，CO2气体保护焊的应用越来越广泛，有逐渐取代手工电弧焊和埋弧焊的趋势。可以肯定，随着我国工农业生产的飞速发展，CO2气体保护焊这一新技术必将在社会主义建设中发挥更大的作用。3.2CO2气体保护焊的基本原理3.2.1合金元素的氧化及脱氧方法CO2在电弧高温作用下分解的化学式如下：这一反应是吸热反应，反应温度越高反应进行的越强烈。其中CO在焊接条件下不会溶于金属，也不与金属发生作用，但是原子状态的氧则能使铁及其它合金元素迅速氧化。由于C氧化生成大量CO气体，还会增加焊接过程中的飞溅。因此，必须采取有效的脱氧措施。二氧化碳气体保护焊气流流动数值模型的建立4.1设计思路3．FLUENT求解计划当遇到一个需要用FLUENT求解的新问题时，我们需要按照一定的思路对所要求解的问题进行分析，制定求解方案。其求解思路一般包括以下几步。决定计算目标。确定通过FLUENT计算需要获得什么样的结果，怎样使用这些结果，需要什么样的模型精度。我们的目标是通过fluent计算来获得二氧化碳气体保护焊时气体流动的情况，有害气体在工作环境中的分布情况，主要是其浓度，速度的详细分布。通过这些结果，分析二氧化碳气体保护焊气流流动的情况，保护气是否可以很好的保护焊接区域，产生的有害气体是否会危害到工人的身体健康。(2)选择计算模型。对要模拟的整个物理模型系统进行抽象概括和简化，确定出计算域包括哪些区域，在模型计算域的边界上使用什么样的边界条件，模型按二维还是三维构造，什么样的拓扑结构最适合于该问题。把二氧化碳气体保护焊的实际环境简化为一个三维模型，焊枪为一