黃軍芬，黃繼強，薛 龍，鄒 勇，李 蘭，2

（1.北京石油化工學院光機電裝備技術(shù)北京市重點實驗室，北京102617；2.北京化工大學機電工程學院，北京100029）

水下局部干法GMAW排水罩內(nèi)流體運動分析

黃軍芬1，黃繼強1，薛 龍1，鄒 勇1，李 蘭1，2

（1.北京石油化工學院光機電裝備技術(shù)北京市重點實驗室，北京102617；2.北京化工大學機電工程學院，北京100029）

水下局部干法焊接利用排水罩導入高壓氣體，排除罩內(nèi)水流，形成局部氣相空間，便于水下焊接作業(yè)。罩內(nèi)排水效果及流體狀態(tài)對焊接過程有一定影響，采用數(shù)值模擬方法對不同進氣方式的圓柱形及長方形排水罩內(nèi)流體運動狀態(tài)進行了分析。數(shù)值模擬結(jié)果表明，通過向排水罩中導入高壓氣體可以有效排出罩內(nèi)水流，形成局部氣相空間；排水后，排水罩模型出口區(qū)域的流體速度極高，能夠有效形成氣體屏蔽；圓柱形排水罩的均布入口模型及長方形排水罩模型在工件焊接區(qū)域的流體速度分布較為平穩(wěn)；均布入口方式排水罩內(nèi)湍流動能最低，能夠確保穩(wěn)定的后續(xù)焊接環(huán)境。依據(jù)數(shù)值模擬的邊界條件開展排水罩排水實驗，其排水過程與數(shù)值模擬基本一致，表明了數(shù)值模擬結(jié)果具有一定的可信度，可為水下局部干法焊接的排水罩結(jié)構(gòu)設計提供參考數(shù)據(jù)。

水下局部干法焊接；排水罩；數(shù)值模擬；流體狀態(tài)

0 前言

水下焊接是海洋油氣、海底管道等設施建造和維修必不可少的關(guān)鍵技術(shù)和工藝之一，主要分為濕法焊接、干法焊接和局部干法焊接。其中濕法焊接電弧處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，直接受環(huán)境、水壓的影響，且焊縫容易出現(xiàn)氣孔和氫致裂紋，焊接質(zhì)量相對較差，一般用于一些非關(guān)鍵性的構(gòu)件的修復[1-3]。干法焊接可以用于深水，但該方法采用氣室排水方式，需要設計和制造復雜的壓力艙，成本較高[4-6]。局部干法焊接利用一個小型排水罩罩住焊接電弧區(qū)域，其中不斷通入高壓氣體，將排水罩內(nèi)的水排出，并在焊接時防止水倒灌進電弧區(qū)域，始終保持電弧區(qū)域為干式環(huán)境[7-9]。該方法集成了這兩種方法的優(yōu)點，適用范圍較為廣泛。由于該方法是在排水罩內(nèi)形成氣相區(qū)，需要對初始情況下排水罩內(nèi)的排水效果及排水后罩內(nèi)的流體運動狀態(tài)進行分析，由此確定焊接過程能否穩(wěn)定進行。

鑒于排水罩體是相對封閉的機械結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值模擬方法分析排水罩內(nèi)流體狀態(tài)是較為切實可行的方法[10-12]。擬通過計算流體力學方法，分析排水罩形狀及進氣方式不同時罩內(nèi)的流體運動規(guī)律，確定罩內(nèi)流體狀態(tài)。本研究采用Fluent計算流體力學軟件對排水罩進行建模及數(shù)值模擬。

1 排水罩結(jié)構(gòu)建模

排水罩結(jié)構(gòu)的設計宗旨在于結(jié)構(gòu)小巧、形狀簡潔、易于加工，便于在焊接機器人上安裝，圓柱及長方結(jié)構(gòu)均能夠滿足要求；圓柱結(jié)構(gòu)可采用的進氣方式主要有四種，即頂部斜交入口、徑向入口、切向入口和均布入口方式，長方結(jié)構(gòu)可采用的進氣方式通常有頂部斜交入口、側(cè)面斜交入口及均布入口三種方式；排水罩與工件表面之間的間隙形成排水出口。由此分別建立了不同進氣方式的圓柱形排水罩及長方形排水罩模型，兩種形狀排水罩模型內(nèi)部體積相同，其中圓柱形排水罩模型的高為160 mm，直徑為144 mm，長方形排水罩模型尺寸為150 mm×110 mm× 160 mm，排水出口即排水罩下邊緣與工件表面的間隙高度為0.5 mm。排水罩加裝焊槍，其直徑為23 mm，長度為150 mm，下端面與焊接工件之間的距離為10 mm，如圖1所示。

圖1 排水罩模型示意

2 排水罩中流體數(shù)值模擬及結(jié)果分析

排水罩中通過高壓空氣排水，氣體與液體間互不相溶。因此，選擇VOF（volume of fluid）模型作為排水罩內(nèi)多相流模擬的模型。

2.1 邊界條件及求解模型設定

在利用Fluent軟件進行數(shù)值模擬時，需根據(jù)排水罩實際應用狀態(tài)設置邊界條件及求解器。環(huán)境壓力為0.102 MPa，進氣壓力為0.5 MPa，氣體流速為50 m/s（對于均布入口方式，每一入口氣體流速為12.5 m/s），方向垂直于邊界截面，進氣管水力直徑為4 mm。

計算模型設定為VOF模型，兩相流界面跟蹤方法采用QUICK方法。湍流模型選擇RNG k-ε模型，設定k和ε均為0.05。求解采用壓力-速度耦合算法中的PISO算法，壓力插值選擇PRESTO!算法，動量方程及湍流方程設置為二階迎風差分格式。初始化流場，使排水罩模型內(nèi)充滿水?；谏鲜鲈O定進行數(shù)值模擬。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

2.2.1 排水罩內(nèi)相分布

對于圓形排水罩模型，對比四種不同進氣方式，圖2為排水末期(排水時間約為4s時)的相分布。可見均布入口模型較其他三種模型的排水速度快（罩內(nèi)完全為氣相），切向入口模型的排水最不理想。主要原因在于均布入口排水過程中，排水氣體的動能迅速轉(zhuǎn)化為液體的動能，造成排水罩內(nèi)激振情況也最劇烈，促進了液體的排出，而切向入口的排水氣體的動能轉(zhuǎn)化成液體動能的過程要相對遲緩一些?？傮w而言，隨著排水氣體的不斷導入，四種圓柱形排水罩模型中的液體很快被完全排出。

對于長方形排水罩模型，圖3所示為三種不同

進氣方式模型在排水末期（排水時間約為5 s時）的相分布，可見均布入口模型排水速度更快一些，頂部斜交入口模型排水速度最慢。同樣，隨著排水氣體的導入，所有長方形排水罩模型中的液體將完全被排出。

圖2 圓柱形排水罩模型的相分布

圖3 長方形排水罩模型的相分布

由上述數(shù)值模擬可知，圓柱形排水罩模型排水速度要快于長方形排水罩模型，但差別不大。對于兩種形狀的排水罩模型，均布入口進氣方式排水速度最快，其原因是同時有四路氣流對稱進入排水罩，作用范圍較為均勻，能夠快速在罩內(nèi)頂端形成排水氣層，并向下推進，因此排水速度更快，其他進氣方式的排水速度雖然低于均布入口進氣方式，但差別不大。

2.2.2 排水后工件表面的流體狀態(tài)

將排水罩內(nèi)水流排出后，排水氣體仍然需要源源不斷導入排水罩，確保罩外水流不會倒灌進罩內(nèi)，此時焊接區(qū)域會受到工件表面的流體狀態(tài)影響，流體速度越平緩，則對焊接過程的影響越小。因此對排水罩下工件表面的流體狀態(tài)進行分析。

圖4a為圓柱形排水罩模型排水后中軸面與工件表面交線沿線的流體速度分布，整體呈“U”字形。出口附近處(-0.072～-0.06 m和0.06～0.072 m)的流體速度急劇增大，甚至約達到工件表面中心區(qū)域的70倍。表明在出口區(qū)域氣液混合流體的運動非常劇烈，使得該區(qū)域的流體速度極高，能夠有效形成氣體屏蔽。

圖4b為將圖4a中心區(qū)域(-0.06 m～0.06 m)局部放大，顯示出四種不同進氣方式模型在工件中心焊接區(qū)域(-0.02～0.02 m)的流體速度分布。其中環(huán)均模型的流體速度最低(0.0＜v＜0.002 m/s)，且非常平穩(wěn)，環(huán)徑模型和環(huán)切模型的流體速度略大一些(0.0＜v＜0.03 m/s)，而環(huán)頂模型在工件焊接區(qū)域出現(xiàn)了一定程度的湍流。所以，對于圓柱形排水罩模型，采用均布入口模式最有利于保證穩(wěn)定的后續(xù)焊接環(huán)境。

圖4 圓柱形排水罩模型流體速度分布

圖5a為三種不同進氣方式長方形排水罩模型排水后，平行于長度方向的中軸面與工件表面交線沿線的流體速度分布，同樣整體呈“U”字形。出口附近處(-0.075～-0.06 m和0.06～0.075 m)的流體速度同樣急劇增大，約達到工件表面中心區(qū)域的12倍，表明排水出口區(qū)域同樣能夠阻止罩外水流進入。

圖5b為將圖5a中心區(qū)域(-0.06～0.06 m)局部放大后的流速分布圖，三種模型在該區(qū)域的流體速度分布均為“V”字形，在工件中心焊接區(qū)域（-0.02～0.02 m）流體速度非常平穩(wěn)（0.0＜v＜0.006 m/s）。

由上述數(shù)值模擬分析可知，長方形及圓柱形排水罩均可滿足排出罩內(nèi)水流、形成局部氣相空間的要求，排水時間在秒量級；排水后排水罩內(nèi)工件表面的氣流速度分布均呈“U”形，出口區(qū)域流體運動

比較劇烈，工件中心焊接區(qū)域流體速度波動較小，其中圓柱形排水罩的環(huán)均模型、長方形排水罩的三種進氣模型在該區(qū)域的流體速度更平穩(wěn)一些。

圖5 長方形排水罩模型流體速度分布

排水結(jié)束后罩內(nèi)氣體的湍流度可通過湍流動能體現(xiàn)，湍流動能小則說明罩內(nèi)氣體流動比較平穩(wěn)，當后續(xù)焊接保護氣進入時，兩相氣間不會產(chǎn)生劇烈的相互擴散和相互運動，從而避免焊接電弧受到兩相氣的沖擊，有利于焊接過程的穩(wěn)定。

圖6為排水末期7種排水罩模型的內(nèi)部湍流動能。頂部斜交排水罩的內(nèi)部湍流動能最大，達到了0.002 kg·m2/s2以上，均布入口排水罩內(nèi)部湍流動能最小，小于0.000 4 kg·m2/s2?？梢?，均布入口方式對排水罩內(nèi)部整體氣流保持穩(wěn)定有利。

圖6 排水罩內(nèi)部湍流動能

3 數(shù)值模擬的實驗驗證

數(shù)值模擬中對于物理問題的數(shù)學表述中存在假設和近似，且采用的數(shù)學方程及其邊界條件與實際情況存在偏差，因此在客觀條件允許的情況下，通過實驗來驗證仿真過程的可靠性是確定仿真結(jié)果可信度的一個手段。構(gòu)建與圓柱形及長方形排水罩模型相同尺寸的簡易透明排水罩結(jié)構(gòu)，結(jié)合空氣壓縮機、減壓閥及流量計等氣路元件進行排水實驗，實驗與數(shù)值模擬設定條件一致，排水罩置于玻璃水槽中，環(huán)境壓力為0.102 MPa，進氣壓力為0.5 MPa，氣體流速為50 m/s，記錄排水過程。圖7為長方形排水罩模型在5 s內(nèi)的實驗排水過程與數(shù)值模擬排水過程的對比，可見實驗與數(shù)值模擬的排水過程基本一致。排水氣進入瞬間只在進氣口附近形成一個小氣圈，后續(xù)氣體進入而罩內(nèi)的水沒有及時排出，導致罩內(nèi)氣體壓力較大，進入的排水氣會有瞬間回彈，回彈后氣相區(qū)域平穩(wěn)。隨著氣體進入，氣液兩相的分界面擴大，整體氣層慢慢形成，只是實驗中氣液分界面與仿真中水平分界面略有差別。針對圓柱形排水罩模型的實驗排水過程與數(shù)值模擬排水過程對比與長方形排水罩模型類似，文中不再贅述。該實驗在一定程度上表明了上述數(shù)值模擬結(jié)果的有效性。

4 結(jié)論

（1）長方形與圓柱形排水罩模型通過不同進氣方式導入高壓排水氣體，都可有效排出罩內(nèi)水流，形成局部氣相空間。

（2）排水罩出口附近流體速度遠大于罩內(nèi)中心區(qū)域，能夠有效阻止罩外水流倒灌；均布入口排水罩在工件中心焊接區(qū)域的流體速度最為平穩(wěn)，罩內(nèi)部湍流動能最小，更有利于后續(xù)焊接過程的穩(wěn)定。

（3）對排水罩排水過程的數(shù)值模擬進行了實驗驗證，確定數(shù)值模擬與實驗排水過程的基本趨勢一致，數(shù)值模擬結(jié)果具有一定的可信度。

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Analysis of fluid motion in drain cover for underwater local dry GMAW

HUANG Junfen1，HUANG Jiqiang1，XUE Long1，ZOU Yong1，LI Lan1，2
（1.Opto-Mechatronic Equipment Technology Beijing Area Major Laboratory，Beijing Institute of Petro-chemical Technology，Beijing 102617，China；2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

For underwater local dry welding，a drain cover is used to create a local gas phase space for underwater welding operation by importing the high pressure gas in it.The welding process is affected by the drainage effect and the fluid state.The numerical simulations were carried out to analyze the fluid motion state in the cylindrical and rectangular drain covers with different air inlet modes.The numerical simulation results showed that the water flow could be effectively discharged and the local gas phase space was formed through the import of the high pressure gas into the drain cover.After drainage，the fluid velocity in the outlet area of the drain cover model was very high，which could form a gas shield.The fluid velocity distributions in the welding area of the workpiece for the uniform inlet model of the cylindrical drain cover and the rectangular drain cover models were relatively stable.The turbulent kinetic energy for the uniform inlet mode was lowest，which could ensure the stability of the welding environment.The drainage experiments were carried out based on the boundary conditions of the numerical simulation，and the actual drainage processes were the same with those from the numerical simulations.The results indicated that the numerical simulation results had a certain credibility，which could provide reference data for the design of the drain cover used in the underwater local dry welding.

underwater local dry welding；drain cover；numerical simulation；fluid state

圖7 數(shù)值模擬與驗證實驗的排水過程

TG456.5

A

1001-2303（2016）08-0006-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.08.02

2015-12-26；

2016-01-16

國家自然科學基金資助項目（51275051）；北京市教育委員會2015年度創(chuàng)新能力提升計劃項目（TJSHG201510017023）

黃軍芬（1975—），女，講師，博士，主要從事焊接裝備及自動化方面的研究工作。