8.2.1 问题描述
如图 8-1 所示为 TIG 焊电弧几何模型，焊接电流为 100A，保护气体流量为4L/min，焊丝直径为 1.5mm。试对焊接电弧温度场、流场、电磁分布进行模拟。
图 8-1 TIG 焊电弧几何模型
8.2.2 问题分析
由图 8-1可知，这是一个轴对称模型，可以采用轴对称建模方式进行建。为简化计算，忽略电极、喷嘴及工件表面的温度变化。流体区域为纯气，因电弧温度较高，达到上万开尔文，因此需要给定氩气随温度变化的物理属性。电弧属于导电磁流体，需引入电场与磁场自定义标量，并通过编写 UDF 程序对相关方程源项进行设置。
8.2.3 TIG 焊电弧流体力学模拟过程
1.电弧区域几何模型的创建与网格划分
流体力学软件 Fluent本身并不支持几何模型的创建与网格划分，需要使用其他如ICEM-CFD、Hypermesh等前处理软件进行几何模型的创建与网格划分。本实例选取Hypermesh作为前处理软件，采用Hypermesh作为Fluent的前处理软件时需要注意以下几点。
1) 依据 Fluent 软件的要求，如果模型为 2D 轴对称模型，则所建模型需保证x轴为对称轴，且所有单元网格均位于x轴上方。
2) 与固体区域建模不同的是，流体计算模型需划分边界网格。
3) 对每个区域及边界设定不同的集合，以方便在Fluent 中进行相关设置。电弧区域温度高、梯度大，需要进行较细的网格划分，以保证计算精度。TIG电弧 2D 模型及网格划分如图 8-2所示，共计产生 22361个节点，22768 个单元。将划分好的网格导出并保存为CFD-Fluent的格式：TIGmesh.msh。
图8-2 TIG 电弧 2D 模型及网格划分
启动 Fluent，在启动界面中选择 2D模型，并设置工作目录，如图8-3所示设置完成后单击 OK按钮。
图8-3 Fluent 启动界面
依次选择File→Read→Mesh命令，导入.msh文件。在本例中导入先前建立的TIGmesh.msh 文件。导入后网格并不是默认显示的，在Fluent 主界面的导航栏中选择 General选项，并在General任务页面单击Scale(比例缩放)按钮对模型进行缩放。导入的网格尺寸单位默认为m，在本例中需要改为mm。在Scale Mesh对话框中勾选 Specify ScalingFactors(指定缩放因子)单选按钮,在 Scaling Factors文本框中输入缩放系数0.001，并单击下方的Scale 按钮;在View Length Unit In(显示长度单位)下拉列表中选择以mm为单位显示网格，如图8-4所示。最后单击 Close 按钮关闭 Scale Mesh 对话框。
图8-4 网格缩放
同样，在General任务页面对Solver(求解器)进行设置，选择Time(时间模式)为 Transient(瞬态模式)，选择2DSpace(二维空间模式)为Axisymmetric(轴对称模型)。求解器设置完成后，单击Check按钮，检查网格模型有无问题。如果有出错信息，将在控制台显示。一般在Hypermesh 网格划分及导入过程中会出现一定的偏差，如在本例中，控制台显示x、y最小坐标值均小于0(图8-5)，说明有部分网格落于x轴下方，并不符合Fluent对 2D轴对称模型的要求。
根据提示信息，在控制面板输入“>/mesh/repair-improve/repair”可解决此问题。再次单击 Check 按钮，并确保没有出错信息。然后单击Display(显示)按钮，在打开的 Mesh Display 对话框中保持默认设置，并单击 Display 按钮，将模型网格显示于图形窗口。
2.激活相关模型
由于本例要计算电弧温度场，需要激活能量方程。在 Fluent主界面的导航栏中选择Model选项下的Energy选项，在打开的Energy(能量)对话框中勾选Energy Equation(能量方程)复选框，如图8-6所示。
图8-6 激活能量方程
在 Models 任务页面中保持黏性模型为 Laminar(层流)不变，并不用激活其他模型。
3.编写并加载 UDF
UDF采用C语言格式编写，在文件开始声明包含udf.h头文件：
在本例中，主要利用 UDF 实现以下主要功能。(1)定义UDM与UDS定义 UDM，如：
这样，UDM-0被定义成了x方向的电流密度J，并需在后续的程序中给定。定义 UDS，如：
采用枚举函数定义 UDS，这样电势 Vx方向矢势 A 和y方向矢势 A,被分别定义成 UDS-0、UDS-1 和 UDS-2。
(2)定义温度相关电导率
电导率的设定采用DEFINE DIFFUSIVITY宏，如：
(3)电弧引弧(点火)设置
氩气在 5000K 以下时，电导率非常小，电弧无法引燃，需要在开始计算前人为地在电弧区域设定一个高温区域，实现引燃电弧的作用。这部分功能可以通过Patch(修补)功能实现,也可以通过 UDF 进行设定。在 UDF 中可通过 DEFINE INI宏实现在电弧区域设定一个初始的高温(如15000K)。在菜单栏选择User→Defined-Function Hooks 命令，打开 User-Defined Function Hooks 对话框，在此对话框中，单击 Imitialization 后面的 Edit 按钮，选择 UDF 中的点火函数，如图 8-7所示。
图8-7 UDF 初始化关联
(4)相关源项设置
在本例中，模拟的电弧过程是一个定常过程，故无质量源项。由于电磁场的引入会产生洛伦兹力，因此需对动量方程的源项进行设定。能量方程中存在焦耳热、电子输运焓及辐射散热，因此需要对能量方程源项进行设定。上述源项可以在 UDF 中通过 DEFINE SOURCE 宏进行设置。编写完 UDF 后，保存并命名为TIG 2D.c.
在本例中，采用编译方法编译并加载 UDF。依次选择 User-Defined→Functions-Compiled 命令，打开 Compiled UDFs 对话框，单击 Source File 下的 Add 按钮，并选择先前编写的 TIG 2D.c源程序。在 Library Name 文本框中输入“tig udf”作为编译后的库名，然后依次单击 Build 按钮和 Load 按钮完成 UDF 的编辑和加载如图 8-8 所示。
图8-8 UDF 的编译和加载
4.设置 UDS 的个数
依次选择 User-Defned-Scalars 命令，打开User-Defined Scalars 对话框，在Number ofUser-Defined Scalars 文本框中输入“3”，共设定3个UDS，即电势Vx方向矢势 4 和y方向矢势 y。本例中 UDS 输运方程均无非稳态项与对流项,在 Flux Function 下拉列表与 Unsteady Function下拉列表中选择None 即可，如图 8-9 所示。
图8-9 自定义标量设置
（内容、图片来源：《焊接过程数值模拟》一书，侵删）
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