(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210887876.7 (22)申请日 2022.07.26 (71)申请人 浙江大学湖州研究院 地址 313000 浙江省湖州市西塞山路819号 南太湖新区科技创新综合体B1、 B2幢 2-3层 (72)发明人 魏新洋　于楠　徐方达　支镜任　 高阳　刘野　 (74)专利代理 机构 上海新隆知识产权代理事务 所(普通合伙) 31366 专利代理师 金利琴 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/10(2020.01)G06F 113/08(2020.01) G06F 119/02(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种快速预测直流等离子炬冷却系统性能 的方法 (57)摘要 本发明公开一种快速预测直流等离子炬冷 却系统性能的方法， 本发明通过轴对称二维多相 耦合磁流体力学模型的数值模拟同时计算固体 域与流体域静温分布， 结合相交界面上静温以及 径向电流密度分布， 可在当前工况下预测等离子 炬腔体静温最高的区域， 为冷却管路布置以及冷 却液参数配置提供优化参考的同时提供相应冷 却效果下对直流等离子体炬内部电弧结构和工 作性能的信息， 实现冷却系统性能的全局优化设 计。 权利要求书2页 说明书4页 附图4页 CN 115238607 A 2022.10.25 CN 115238607 A 1.一种快速预测直流等离子炬冷却系统性能的方法， 其特征在于， 该方法是基于商业 软件Ansys ‑Fluent通过编写用户自定义函数对与标准k ‑epsilon湍流模型耦合的磁流体力 学模型实现， 包括： 1)对几何结构轴对称的等离 子炬及其冷却系统进行简化并做二维轴对称假设； 2)通过引入用户自定义函数对模型中的动量源项、 能量源项进行描述， 综合考虑辐射 耗散、 焦耳热效应和电子输运焓对各源项的影响， 通过傅里叶定律建立固体域与流体域间 换热模型以提高模型对于相交界面附近电导率的预测精度， 进而提高其对相界面以及固体 域热流量的计算精度， 最终提高对直 流等离子炬冷却系统性能的预测精度。 2.根据权利要求1所述的一种快速预测直流等离子炬冷却系统性能的方法， 其特征在 于， 所述方法具体包括以下步骤： 1)绘制网格， 根据直流等离子体炬的腔体结构进行简化， 绘制二维轴对称非结构多相 网格， 所述网格包 含固体计算域和流体 计算域， 并对网格阳极和阴极壁 面进行局部加密； 2)边界设置， 参考实际工况参数设置计算域边界条件， 包含入口IJ、 出口DEF、 阳极 FGHI、 阴极ABC、 冷却壁GH及其余壁面的边界条件， 其中冷却壁的换热性能通过测量冷却液 出入口温度结合冷却液性质计算获得； 3)模型设置及初始化， 根据物理模型特点选用标准k ‑epsilon湍流模型结合二阶迎风 格式的SIMPLEC压力速度耦合算法进行稳态计算， 并采用Ansys ‑Flunet自带的混合初始化 法定义流场初值以加快计算收敛速度； 4)收敛判定， 结合计算模型特点以及实际精度要求进行收敛条件判定， 所述判定包括 各项残差数值衰减程度的比较和出入口质量 流量间差距的比较； 5)计算结果及比较， 对达到收敛的计算结果进行处理和分析， 主要对相界面温度、 电流 密度及固体域温度分布进行预测， 通过与所述步骤2)中冷却壁主要工作参数结合进行比 较， 预测冷却系统的散热性能。 3.根据权利要求1所述的一种快速预测直流等离子炬冷却系统性能的方法， 其特征在 于， 所述磁流体力学模型控制方程如下 所示： 连续性方程 动量守恒方程 能量守恒方程 其中， ρ， P， μ， Sr， keff和T分别代表气体密度， 流速， 压力， 动力粘度， 应变张量， 体 积净辐射损失， 有效热导率和气体温度。 以及 分别代表洛伦兹力， 焦 耳热和电子转移焓， kB， Cp和e分别代表电流密度， 磁感应矢量， 电场强度， 玻尔 兹曼常数， 静压比热以及基本电荷量。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115238607 A 24.根据权利要求1所述的一种快速预测直流等离子炬冷却系统性能的方法， 其特征在 于， 该方法通过轴对称二 维多相耦合磁流体力学模型的数值模拟同时计算固体域与流体域 的静温分布， 并结合相交界面上静温以及径向电流密度分布， 可在当前工况下预测 等离子 炬腔体静温最高的区域。 5.根据权利要求4所述的一种快速预测直流等离子炬冷却系统性能的方法， 其特征在 于， 所述轴对称二 维多相耦合磁流体力学模型具有的输入条件包含工作电流、 冷却液性质、 冷却液输入输出速度及温度、 工作气体性质及工况。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115238607 A 3