基于格子Boltzmann方法的焊接熔池流体行为的研究

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1、分类号：TG402密级：UDC：编号：201321803012河北工业大学硕士学位论文基于格子Boltzmann方法的焊接熔池流体行为的研究论文作者：贾文亮学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：材料加工工程指导教师：郑振太职称：教授DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMaterialsProcessingEngineeringSTUDYONFLUIDBEHAVIORINWELDPOOLBASEDONLATTICEBOL

2、TZMANNMETHODbyJiaWenliangSupervisor:Prof.ZhengZhentaiMay2016原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于

3、收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：导师签名：日期：摘要借助数值模拟技术定量分析焊接熔池的流体行为，特别是焊接熔池的流体流动及传热过程，一直是焊接领域的前沿课题之一。目前对焊接熔池流体流动及传热过程的数值模拟主要是基于连续介质假设，建立在

4、Navier-Stokes方程基础上的，称为宏观方法。宏观方法表述简单、比较直观，广泛应用于包括焊接在内的众多领域的数值模拟研究。但宏观方法基于连续介质假设，在使用其处理例如熔池中耦合自然对流的枝晶生长等非连续的复杂流体行为的数值模拟时往往面临很多困难。格子Boltzmann方法（LatticeBoltzmannMethod，LBM）不再依赖于连续介质假设，是一种近年来得到快速发展的介观计算流体力学方法。LBM具有物理意义清晰、易于编程、边界处理简单和天然的并行性等优点，已成为计算流体力学的重要工具之一，但LBM在焊接数值

5、模拟领域仍鲜有应用。首先，本文基于LBM的基本原理，综合考虑焊接过程的能量和动量边界条件，以及熔池所受的浮力、电磁力和表面张力梯度，建立了基于LBM的二维瞬态固定电弧TIG焊接熔池流体流动及传热模型。然后，以Q235低碳钢的固定电弧TIG焊接为例，使用该模型进行模拟计算，定量分析焊接熔池的流体行为。最后，进行了试验验证。根据上述研究内容，得到以下结论：（1）模拟计算并分析比较纯导热、浮力、电磁力、表面张力梯度单独及综合作用下焊接熔池的温度场及流场的结果表明：焊接熔池中的表面张力梯度对金属流体的流动及传热过程影响最大，电磁力

6、次之，浮力最小。（2）模拟计算并分析比较相同焊接电流、不同焊接时间下焊接熔池的温度场及流场的结果表明：随着焊接时间的延长，熔池内对流越来越剧烈，熔深和熔宽都不断增大，但是熔深的增加量没有熔宽大。（3）模拟计算并分析比较不同焊接电流、相同焊接时间下焊接熔池的温度场及流场的结果表明：随着焊接电流的增加，熔池内的温度梯度不断增加，熔宽和熔深逐渐增大，但是熔宽的增加量几乎没有减小，而熔深的增加量逐渐减小。（4）试验验证表明：试验所得的焊接熔池横截面与计算结果吻合良好，验证了本文所建立模型的可靠性。关键词：格子Boltzmann方法

7、，TIG焊接熔池，流体行为，数值模拟IABSTRACTWiththehelpofnumericalsimulation,quantitativelyanalyzingthefluidbehavior,especiallytheprocessoffluidflowandheattransferofweldpool,isoneofthefrontierresearchtopicsinthefieldofwelding.Atpresent,mostofthesimulationsaboutfluidflowandheattran

8、sferofweldpoolweremainlybasedonthecontinuousmediumhypothesisandtheNavier-Strodesequation,knowasthemacroscopicmethod.Thismethodposesasimpleexpressionandd