Comsol电弧
关键词
电弧；电磁-热-流体耦合；多物理场耦合
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1. 电弧
电弧放电是一种气体放电现象，当两个电极在一定电压下由气态带电粒子（如电子或离子）维持导电的现象。电弧放电主要发射原子谱线，是发射光谱分析常用的激发光源。通常分为直流电弧放电和交流电弧放电两种。
电弧放电的产生条件包括：电压达到一定程度：在两个电极或导体之间，电压需要达到一定的高度以击穿空气或其他介质。自由电子的产生：电极之间的空气或其他介质被电离形成自由电子，这些自由电子在电场的作用下加速，撞击其他分子使其也电离，形成更多的自由电子，最终形成连续通道，即电弧。
电弧放电的过程可以简述为：（1）电离过程：在电极之间的空气中，电子在电场的作用下加速，撞击空气分子使其电离，产生更多的自由电子和正离子。（2）持续导电：当自由电子的密度足够高时，它们能够形成连续通道，维持导电状态，产生强烈的光辉和高温。
电弧放电的应用非常广泛，包括：（1）焊接和切割：电弧放电产生的高温可以用来熔化金属，实现焊接和切割。（2）光谱分析：电弧放电可以激发元素发出光谱，用于分析化学成分。（3）强光光源：在照明和摄影中作为强光光源。
电弧放电的特点包括：（1）高温：电弧放电可以产生几千度甚至数万度的高温。（2）高亮度：电弧放电发出强烈的光辉。（3）强化学反应性：电弧放电具有很强的化学反应性，可以用于一些化学反应过程。
图1. 电弧的形成
2. 物理建模
在电弧计算过程中，为减少计算复杂度，通常根据求解域的对称性将三维模型简化为二维轴对称模型，如图2所示。仿真过程需设置电弧材料的电导率、相对介电常数、相对磁导率、比热容、导热系数、密度和动力粘度，为保证结果准确性，以上材料参数均从相关论文资料及现有实验数据中获取，如图3所示。
图2. 几何理模型
图3. 材料参数
3. 物理场边界体条件
基于磁流体动力学方程建立电弧放电过程的数学模型，电弧的运动是一个复杂的物理过程，仿真过程中做了如下假设：（1）假设电弧运行过程始终处于热力学平衡状态；（2）电弧稳定放电，忽略起弧过程；（3）电弧鞘层对电弧运动过程的热场和流场影响较小，因此忽略电弧鞘层影响。
温度场边界条件：电极和外部边界设置温度条件，阴极电极设置热通量边界。
流体场边界条件：顶部边界设置入口边界，速度大小30m/s，底部设置出口边界，出口压力1atm。
电场边界条件：阳极电极设置法向电流密度激励，底部边界进行接地。
磁场边界条件：在边界处的矢量磁位的各个方向分量都设置为零。
图4. 物理场边界条件
根据有限元法的求解原理，剖分越精细，求解越准确，数值计算前通过网格划分对模型计算区域进行离散化处理，采用三角形非结构网格对模型进行划分，并对电极附近物理场变化剧烈的区域进行网格加密处理，具体网格分布如图5所示。
图5. 计算网
4. 结果展示
电弧仿真模型采用稳态全耦合求解器进行求解，通过计算得到电弧温度场、流体场、电磁场分布如下图所示。
图6. 温度和等温面分布
图7. 流场速度和压力分布
图8. 电势分布
图9. 电场分布
图10. 磁场分布
供稿：电子F430
编辑：小苏
审核：赵佳乐
