(19)中华 人民共和国 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 202111647752.3 (22)申请日 2021.12.3 0 (71)申请人 南京航空航天大 学 地址 211106 江苏省南京市秦淮区御道街 29号 (72)发明人 赵文勇　张栩菁　金洪西　魏艳红　 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种适用于铝合金电弧-熔滴-熔池耦合数 值模拟的界面动量处 理方法 (57)摘要 本发明公开了一种适用于铝合金电弧 ‑熔 滴‑熔池耦合数值模拟的界面动量处理方法， 旨 在解决铝合金电弧 ‑熔滴‑熔池一体化数值模拟 过程中易出现的电弧等离子体 ‑熔滴金属相界面 形态失真， 计算不收敛的问题。 该界面动量处理 方法以流体体积分数法(VOF)追踪电弧等离子 体‑金属相界面为应用前提， 主要实施在一体化 模型动量方程构建和求解环节。 具体为： 基于单 元金属VOF值和VOF梯度值判定， 实时提取相界面 靠近电弧域的最外侧单元层L1和电弧域紧邻相 界面的最外侧单元层L2， 通过定义异常流体速度 修剪阈值， 对单元层L1内速度 异常单元进行实时 速度修正， 通过统计单元层L2的轴向流体速度分 布和熔滴尺寸对熔滴内部单元进行实时动量补 偿。 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 CN 114266207 A 2022.04.01 CN 114266207 A 1.一种适用铝合金电弧 ‑熔滴‑熔池耦合数值模拟的界面动 量处理方法， 其特征在于包 括如下步骤： 步骤1： 基于流体体积分数法(VOF)描述的电弧等离子体 ‑金属相界面的动态演变， 计算 获取全域内单元的金属VOF值和金属VOF梯度值， 实时判定标记电弧等离子体 ‑熔滴金属相 界面最靠近电弧等离 子体域一侧的单 元层L1； 步骤2： 定义界面异常流体速度修剪阈值， 并通过实时遍历所标记的界面单元层L1， 对 其流体速度异常单 元进行动量 修正； 步骤3： 基于全域内单元的金属VOF值和金属VOF梯度值， 实时标记电弧等离子体域靠近 电弧等离 子体‑熔滴金属相界面 一侧的单 元层L2。 步骤4： 考虑因界面动量修正而干扰电弧等离子体对熔滴金属的动量传递， 基于单元层 L2的等离 子体轴向速度分布和熔滴尺寸形态对熔滴内部进行实时动量 修正。 2.根据权利要求1所述的一种适用铝合金电弧 ‑熔滴‑熔池耦合数值模拟的界面动量处 理方法， 其特征在于， 所述步骤1是基于流体体积分数法(VOF)进 行电弧等离子体 ‑金属相界 面的动态追踪， 通过计算获取全域内单元的金属VOF值F和金属VOF梯度值 进行判定标记 电弧等离子体 ‑熔滴金属相界面最靠近电弧等离子体域一侧的单元层L 1时， 单元的金属VOF 值F和金属VOF梯度值 需同时满足判定条件： 其中， Flimt为界面最外侧单元体积分数检测上限值， 其取值与网格单元尺寸密切相关， 一般地取0.01， 若通过此值捕获的界面层轮廓不完整或者多层叠加， 可适当增大或减小此 值。 3.根据权利要求1所述的一种适用铝合金电弧 ‑熔滴‑熔池耦合数值模拟的界面动量处 理方法， 其特征在于， 所述步骤2中， 界面单元异常速度修剪阈值Vlimt的取值不应小于熔滴 液态金属中流体最大速度值； 对于铝合金电弧焊短路过渡而言， 其过渡过程中熔滴液态金 属最大流速一般不超过2.0m/s， 因此， 可取界面单元异常速度修剪阈值Vlimt等于2.0m/s； 对 于滴状过渡或射 滴过渡等模式， 界面单 元异常速度修剪阈值Vlimt可适当增大； 所述的界面单 元层L1中流体速度异常单 元的修剪判定条件及修剪量 为： 其中， Vx， Vy， Vz分别为单元当前速度矢量沿x， y， z三个方向上的分量， Vx′， Vy′， Vz′为修 正后的速度分量， α 为修剪因子； 为了不降低修剪速度及引起过修剪， 修剪因子α 一般取值在 0.90‑0.95之间； 所述的流体速度异常单元在进行修剪时， 存在经历一 次修剪后的单元速度并不 能满足 异常速度修剪阈值限定的情况， 因此需要在一个迭代步内对速度异常单元进 行多次速度修 剪， 直到满足阈值要求； 修剪得到的速度Vx′， Vy′， Vz′直接对单元当前异常速度 Vx， Vy， Vz进行 替代、 更新， 参与下一迭代步的计算， 从而完成单 元层L1中的动量 修正。 4.根据权利要求1所述的一种适用铝合金电弧 ‑熔滴‑熔池耦合数值模拟的界面动量处 理方法， 其特征在于， 所述步骤3中， 标记电弧等离子体域靠近电弧等离子体 ‑熔滴金属相界权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114266207 A 2面一侧的单 元层L2时， 单 元金属VOF值F和VOF梯度值 需同时满足以下判定条件： 其中， δ为电弧等离子体域最靠近界面一侧单元体积分数梯度检测上限值， 其取值与网 格单元尺寸密切相关， 一般地取0.001， 若通过此值捕获的单元层轮廓不完整或者多层叠 加， 可适当增大或减小此值。 5.根据权利要求1所述的一种适用铝合金电弧 ‑熔滴‑熔池耦合数值模拟的界面动量处 理方法， 其特征在于， 所述步骤4中， 以体积力源项形式添加到轴向动量方程中的熔滴金属 的动量修正大小为： 其中， Md为动量补偿体积力， βd为动量补偿系数， 其取值在0.1 ‑1.0范围之间， 可基于试 验所得熔滴过渡频率为标准， 进行计算校核确定， ρp为电弧等离子体密度， Ad为熔滴轴向投 影面积， 为单元层L2中轴向平均速度值， Vd为熔滴体积； 通过循环遍历单 元层L2， 实时提取每 个单元轴向速度分量vzi， 计算得到： 其中， N为单元层L2中包 含的单元总数； 熔滴轴向投影面积Ad和熔滴所占体积Vd是以计算域内单元金属VOF值F＝0.5为统计分 割界面， 实时计算获得： 其中， ΔLr为熔滴径向最大尺寸差， N ′为计算域内熔滴包含的单元总数， Δxi， Δyi， Δzi 为熔滴单 元x， y， z三个方向上的单 元尺寸。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114266207 A 3