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等離子切割是利用高能密度壓縮電弧產(chǎn)生的高溫高速熱流進行切割的方法，其原理主要是依靠高溫高速的等離子弧及其焰流，把部分金屬熔化及蒸發(fā)，并吹離基體，隨著等離子割炬的移動而形成切縫。由于等離子弧柱的溫度遠遠超過目前絕大部分金屬及其氧化物的熔點，所以它可以切割的材料很多，而且等離子切割速度快，切割面光滑，如今已在國內外獲得廣泛使用，特別是在造船業(yè)應用更為廣泛。
等離子弧切割時電極是易損件，如空氣等離子弧切割，電極壽命一般為1~2h，氧等離子弧切割電極燒損更嚴重。為了延長電極的壽命，除了選用合適的電極材料與合理的工藝措施，主要是加強電極的冷卻，在大功率割炬中的電極都是采用水冷卻。本文就是用CFD軟件COSMOS/FloWorks對如圖1所示的電極冷卻水道進行分析，并對其水道進行結構優(yōu)化，使之更加有利于電極的冷卻。
1 COSMOS/FloWorks簡介
COSMOS/FloWorks是依據(jù)工程流體力學而產(chǎn)生的專門為工程人員所設計的一套功能強大的CFD軟件，是完全整合在SolidWorks中純窗口化的流體分析軟件。它允許使用者在設計好產(chǎn)品后立刻進行分析，而不需要轉換任何的資料到分析指令上。COSMOS/FloWorks提供基本的流體分析能力，并有許多其他功能，如多孔介質、混合流體、風扇曲線等等。除此之外還有高級的后處理能力，如Lagrangian粒子軌跡及動畫生成等。
2 計算結果及分析
此計算模型存在一個對稱面，我們可以在對稱面處設置對稱邊界條件，這樣做可以節(jié)省計算機資源，減少計算時間。設定進口的邊界條件為flow openings，類型為inlet velocity，方向為normal to face，大小為2m/s。出口邊界條件為pressure opening，類型為static pressure,在流場計算中，所關心的是流場中各點之間的壓差，而不是絕對值，所以一般給出的是出口處的壓力相對值，本文默認為一個標準大氣壓。
從計算結果可以看出電極前端處的流場情況近似于軸對稱，且主要是研究電極前端處的流場情況，所以可以只截取前端處流場剖面圖來進行研究。前端處冷卻水的流速矢量圖如圖2所示。圖中箭頭顯示流速大小和方向的變化，箭頭越大，速度越大，箭頭的方向代表了合速度的方向。從圖2可以清楚地看到出水口四周有漩渦產(chǎn)生。
我們通過軌跡線圖的方法來研究電極冷卻水道冷卻面附近的冷卻水流速。所謂軌跡線圖，指結果沿著一條任意定義的曲線上項目值的變化，也就是說，它通過一條曲線，在數(shù)據(jù)庫中提取這條曲線上的項目數(shù)據(jù)，然后通過列表或者圖形顯示。其中曲線圖是最直觀的方式之一，能夠反映一個量隨另一個量的變化。作一條如圖2中所示的軌跡線。
圖3軌跡線曲線圖為沿著圖$ 中軌跡線冷卻水流速的變化情況。從中可以看出，最大流速并不在中心處，而是在離開中心處一段距離的四周，這是因為冷卻水是垂直沖向前內壁面的，然后向四周擴散。前內壁面處流速偏低，最大流速為1.4m/s，最小流速為0.6,m/s。最小流速處在直角拐彎處。
3 冷卻水道結構的改進
為了加強電極前內壁面的冷卻，使進水管道出水口與前內壁面的距離從2mm減小至0.5mm，減小此處的水流通路截面面積，從而加大冷卻水的流速；為了改善直角拐彎處的冷卻情況，在直角處開個半徑為1mm的圓弧。
圖4是結構改進后的電極前端冷卻水的流速矢量圖。進水管出口處外壁面有回流存在。
圖5軌跡線曲線圖是沿著圖4軌跡線冷卻水流速的變化情況。對比圖3與圖5可以看出電極前內壁面的冷卻水流速有較大提升，從而可以得出減小冷卻水流通截面面積對加強冷卻是很有益的。由于在直角處開了圓弧，此處冷卻水流速有很大提升，冷卻水流速從0.6m/s左右提升到了1.2m/s左右。雖然改進后曲線開端處流速稍有下降，這并不影響整體冷卻狀況的改善，而且我們更加關注的是前內壁面處的冷卻水流速。
4 結語
(1)對等離子割炬電極冷卻水道進行流場仿真分析，可得出流速分布圖，從而為結構優(yōu)化提供依據(jù)；
(2)直角拐彎處的冷卻水流速往往是最低的，通過在此處開圓弧的方法可解決這個問題；
(3)從本文對電極冷卻水道的結構優(yōu)化可以得出對此類電極冷卻的一個基本原則，加大進水的水流通路截面面積，盡量減小需要強冷卻壁面處水流通路截面面積，從而能很好地加大需強冷卻壁面的冷卻水流速。
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