姚聪林等：电弧炉内长电弧等离子体的数值模拟 63 论计算中常用的对比基准7实验中通过测定钢 根据鲍曼实验数据，电弧电流为1150A时距 球的位置偏移量和相应的理论计算以获得电弧射 离阴极不同位置(20、38和55mm)时电弧等离子 流的流场分布28 体速度的径向分布的测量结果和本模型模拟计算 采用本模型对鲍曼实验所用参数（阴极电极 值二者吻合良好（图3）.三种不同电弧电流下鲍曼 直径50mm、电弧弧长70mm、电弧电流520、 实验数据与模拟数据中等离子体流速对比如表2 1150和2160A)进行电弧模拟预测.选取电弧电流 所示，由表可知，不同电弧电流在距离阴极不同位 为1150A重点分析，其电弧温度分布如图2所示. 置处模拟数据与鲍曼实验测量的等离子体流速几 由图2可知，电弧呈典型“钟罩型”，最高温区域集 乎相同，且偏差在误差允许范围之内，表明本模型 准确性较好，可靠性较高 中在电极正下方，与其他学者所描述的电弧形态 2.2不同电流大小对电弧特性的影响 基本吻合 弧长固定为400mm,研究不同电流大小(30、 0 40和50kA)对电弧特性的影响. T710K) 图4显示不同电流大小对电弧温度分布的影 0.02 364208642 响.由图可知，在湍流影响以及强烈的洛伦滋力作 用下，电弧等离子体收缩，电弧柱细长，电弧尾部 呈“钟摆型”，整体呈“长钟型”，与文献报道相符网 0.06 10 这可能是由于在石墨阴极附近存在较大的电流密 0.06-0.040.0200.020.040.06 r/m 度，形成高温核心区：而且随着电流的增大，电弧 图2电弧电流为1150A的温度分布图 的最高温度变化略有上升，但高温核心区域增大， Fig.2 Temperature distribution with an arc current of 1150 A 电弧尾部钟摆范围扩大，电弧有效作用范围变大， 1600 1600 (a) b) ●Bowman data ■Bowman data 1400 Simulated data 1400 ●Simulated data 1200 1200 1000 1000 w)m 800 800 600 600 400 400 200 200 ◆ 0 0 8 10 2 16 0 810121416 r/mm rmm 1600 (c) ■Bowman data 1400 Simulated data 1200 1000 800 600 400 200 ■ 0 46810121416 r/mm 图3电弧电流为1150A时距离阴极不同位置处鲍曼实验数据与模拟数据电弧等离子体速度的径向分布比对图.(a)20mm:(b)38mm:(c)55mm Fig.3 Comparison diagram of the radial distribution of the arc plasma velocity at different positions of the Bowman experiment data and simulation data at an arc current of 1150 A:(a)20 mm:(b)38 mm:(c)55 mm论计算中常用的对比基准[27] . 实验中通过测定钢 球的位置偏移量和相应的理论计算以获得电弧射 流的流场分布[28] . 采用本模型对鲍曼实验所用参数（阴极电极 直 径 50  mm、 电 弧 弧 长 70  mm、 电 弧 电 流 520、 1150 和 2160 A）进行电弧模拟预测. 选取电弧电流 为 1150 A 重点分析，其电弧温度分布如图 2 所示. 由图 2 可知，电弧呈典型“钟罩型”，最高温区域集 中在电极正下方，与其他学者所描述的电弧形态 基本吻合. 根据鲍曼实验数据，电弧电流为 1150 A 时距 离阴极不同位置（20、38 和 55 mm）时电弧等离子 体速度的径向分布的测量结果和本模型模拟计算 值二者吻合良好（图 3）. 三种不同电弧电流下鲍曼 实验数据与模拟数据中等离子体流速对比如表 2 所示，由表可知，不同电弧电流在距离阴极不同位 置处模拟数据与鲍曼实验测量的等离子体流速几 乎相同，且偏差在误差允许范围之内，表明本模型 准确性较好，可靠性较高. 2.2    不同电流大小对电弧特性的影响 弧长固定为 400 mm，研究不同电流大小（30、 40 和 50 kA）对电弧特性的影响. 图 4 显示不同电流大小对电弧温度分布的影 响. 由图可知，在湍流影响以及强烈的洛伦兹力作 用下，电弧等离子体收缩，电弧柱细长，电弧尾部 呈“钟摆型”，整体呈“长钟型”，与文献报道相符[29] . 这可能是由于在石墨阴极附近存在较大的电流密 度，形成高温核心区；而且随着电流的增大，电弧 的最高温度变化略有上升，但高温核心区域增大， 电弧尾部钟摆范围扩大，电弧有效作用范围变大， 0 0.02 0.04 0.06 −0.06 −0.04 −0.02 0 0.02 0.04 0.06 z/m r/m T/(103 K) 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 图 2    电弧电流为 1150 A 的温度分布图 Fig.2    Temperature distribution with an arc current of 1150 A 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 2 4 6 8 10 12 14 16 u/(m·s−1 ) r/mm Bowman data Simulated data 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0 0 0 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Bowman data Simulated data u/(m·s−1 ) r/mm 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 2 4 6 8 10 12 14 16 u/(m·s−1 ) r/mm Bowman data Simulated data (a) (b) (c) 图 3    电弧电流为 1150 A 时距离阴极不同位置处鲍曼实验数据与模拟数据电弧等离子体速度的径向分布比对图. （a）20 mm；（b）38 mm；（c）55 mm Fig.3    Comparison diagram of the radial distribution of the arc plasma velocity at different positions of the Bowman experiment data and simulation data at an arc current of 1150 A：(a) 20 mm；(b) 38 mm；(c) 55 mm 姚聪林等： 电弧炉内长电弧等离子体的数值模拟 · 63 ·