2.4.1 焊接电弧
电弧是气体放电的一种形式。焊接电弧是指焊接电极与工件之间发生的强烈而持久的气体放电现象。电弧焊接即利用焊接电弧放电时产生的热量来加热、熔化焊丝(焊条)和母材，使之形成焊接接头。2.1节对电弧的热输入进行数学建模，得到了电弧的热源模型，然而建模过程中并未基于电弧的产热机理，仅是通过实验现象完成数学建模，其从本质上属于一种唯象的建模方式。本节将从计算机数值模拟的角度探讨电弧的模拟计算方法。
焊接电弧能够连续不断地“燃烧”，是在焊接电场的作用下，中性气体原子不断地被激发、电离及阴极电子发射的结果。因此，从本质上说焊接电弧是一种具有较高温度，同时包含正离子、电子和中性粒子，呈现准电中性的热等离子体(图 2-11)。在焊接力场的作用下，高温等离子体向工件方向运动；周围的气体粒子及保护气氛中的气体粒子又不断补充进入电弧空间，从而形成连续不断的等离子流。
图 2-11电弧等离子体示意图
电弧等离子体内部的物理作用机制极为复杂，然而在某些假设的前提下，电弧等离子体可在流体力学范畴进行模拟计算，这些假设一般包括：
1）电弧等离子体是处于局部热动力平衡的连续介质，即其流动和传热可用流体力学方程来描述。
2）电弧等离子体是光学薄的，重力、浮力和黏性热耗散忽略不计。
3）电弧等离子体处于不可压缩状态。
4）不考虑电极鞘层的影响。一般认为在电弧焊接过程中电极表面存在着
10~100mm的鞘层区域，在此鞘层内温度变化剧烈，往往存在着数千到上万摄氏度的温差。此外，这一区域还存在着复杂的粒子电离与带电粒子复合现象，因而无法满足局部热动力平衡假设。
基于上述假设，可将电弧看作一种导电的磁流体，并可在计算流体力学范畴内对其进行研究。计算流体力学(ComputationalFluidDynamics，CFD)是通过计算机进行的、分析计算流体流动和传热等物理现象的一门学科。
根据流体力学知识，自然界所有的流动现象都可以用三大守恒方程来描述：①质量守恒方程，也称连续性方程；②动量守恒方程；③能量守恒方程。可以说，计算流体力学即是通过求解上述三大类守恒方程来进行流体力学研究的。质量守恒是指质量既不能产生，也不会消失，在任何与周围隔绝的物质系统(孤立系统)中，无论发生何种变化或过程，其总质量保持不变。质量守恒在易变形的流体中体现为流动的连续性。因此质量守恒方程又称为连续性方程。
流体的动量守恒用动量定律描述如下:对于给定的流体系统，流体动量随时间的变化率等于作用于其上的外力总和，即Navier-Stokes 方程。
流体的能量守恒指的是，对某一控制体中流体所做的功和加给该流体的热量之和等于流体的能量增加值。
一般地，在流体力学求解过程中，上述三大守恒方程均可写成标准输运方程的形式:
式中，4--待求解的变量，依求解方程的不同，可能是电势或某方向的速度等变量；
（内容、图片来源：《焊接过程数值模拟》一书，侵删）
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