技术领域
本发明涉及到冶金行业中电弧等离子体的仿真分析，具体是利用ComsolMultiphysics模拟电弧等离子体特征。
背景技术
电弧等离子体具有高温，能量集中等特点，被广泛应用冶金、化工、废物处理等工业领域。电弧等离子体的形成过程涉及复杂的电场、磁场、流场和温度场之间作用，是一个复杂的多物理场变化的过程。
目前，在实际测量过程中存在很多限制性因素，比如电弧等离子体的中心温度能达到20000K左右，这使电弧等离子体的温度测量存在一定的困难。当试验手段受到限制时，电弧等离子体特征参数的实时监测收到诸多限制，难以研究不同电流值下的分析电弧等离子体的特征。
因此，针对以上不足，需要提供一种准确有效的数值模型用于研究电弧等离子体。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，电弧等离子体特征参数的实时监测收到诸多限制，难以研究不同电流值下的分析电弧等离子体的特征。针对现有技术中的缺陷，提供一种电弧等离子体特征的仿真分析方法和仿真分析装置。
为了解决上述技术问题，根据本发明实施例的一个方面，提供了一种电弧等离子体特征的仿真分析方法，包括如下步骤：
（1）建立二维轴对称的空间维度，并选择直流耦合放电；
（2）建立电弧等离子体放电的几何模型；其中，所述几何模型包括电极部分和电弧部分，所述几何模型的计算域包括几何区域和电弧计算域；
（3）分别对所述电极部分和所述电弧部分的材料属性进行设置；
（4）分别设置所述磁场部分、所述流体传热部分、所述层流部分、所述多物理场部分和所述电流部分；
其中，
将所述磁场部分设置为相对磁导率、电导率和相对介电常数为来自材料，并设置磁矢量势的初始值和散度条件变量缩放值，添加矢量磁势度规修复；
将所述流体传热部分设置为几何区域流体的密度、恒压热容、比热率来自材料，并设置热绝缘部分以及所述工质气体的初始温度值；
在所述层流部分，设置流体属性为可压缩流动；添加重力节点，以对电弧计算域所受的重力进行计算；添加体积力节点和洛伦兹力，以对所述几何模型的电磁力进行计算；设置工质气体入口条件，包括设置入口速度边界条件和初始法向流入速度值；设置工质气体出口条件，包括设置出口边界压力条件、初始压力、静水压力补偿近似、法向流和抑制回流；
在所述多物理场部分，设置平衡放电热源作用于所述几何模型，电弧部分设置电流为电磁耦合部分，设置流体传热为传热部分，热源分量包含焓传递、焦耳热、体积净辐射损失，其中总体积辐射系统设置为来自材料；设置静态电流密度分量和感应电流密度分量作用于所述几何模型；设置洛伦兹力作用于所述几何模型的电弧部分；设置层流部分为流动耦合；设置整个几何区域为温度耦合；在所述几何模型中设置平衡放电边界热源，设置阳极的表面功函数、阴极的表面功函数、有效理查森数、有效功函数和等离子体电离势；
在所述电流部分设置电流终端和接地，并为所述电流终端至少设置两个电流值；
（5）对所述几何模型进行网格划分，网格单元数为9380；
（6）配置求解器的时间单位、时间步长、时间步和容差，并进行求解计算，得到每个所述电流值的仿真结果；
（7）对各个所述仿真结果进行处理，生成不同所述电流值对应的电弧等离子体的温度分布图和轴向电流密度分布图。
可选地，步骤（3）包括：
在Comsol Multiphysics中，
为所述电极部分选择工质材料，并设置所述工质材料的相对磁导率为1、电导率为3×10
为所述流体部分设置工质气体，并以插值法的形式设置所述工质气体的密度、恒压热容、导热系数、动力粘度和电导率。
可选地，步骤（4）还包括：
在Comsol Multiphysics中，
将所述磁场部分的磁矢量势的初始值设置为0、散度条件变量缩放值设置为1A/m；
将所述流体传热部分的所述工质气体设置氩气且氩气电离的初始温度值为6000K；
在所述层流部分，设置工质气体入口的初始法向流入速度值为20m/s、工质气体出口的初始压力为0Pa；
设置阳极的表面功函数为4.15V,设置阴极的表面功函数为4.15V，设置有效理查森数为120A/(m
可选地，步骤（5）包括：
在Comsol Multiphysics中，以自定义的形式对所述几何模型进行自由三角形网格划分；其中，所述电极部分的单元尺寸选择为常规，电极边界设置为边界层网格，并设置边界层数为8、边界层拉伸因子为1.2、第一层厚度选择自动和厚度调节因子为1；所述电弧部分的单元尺寸选择为细化。
可选地，步骤（6）包括：
在Comsol Multiphysics中，时间单位选择ms，时间步长设置为0.1ms，时间步设置为20ms，并设置容差，求解器基于所述时间单位、所述时间步长、所述时间步和所述容差对每个所述电流值对应的仿真数据进行求解，得到每个所述电流值条件下的仿真结果。
可选地，步骤（7）包括：
在Comsol Multiphysics中，
电弧等离子体的温度分布图选择二维绘图组，采用表面处理方式，且表达式选择温度，对不同所述电流值的电弧等离子体的温度场进行表征和显示；
轴向电流密度分布图选取最后一个所述时间步的各个所述电流值的仿真结果，选择一维绘图组对不同所述电流值的电弧等离子体的轴向电流密度分布进行表征和显示；其中，横轴是所述几何模型的纵坐标的距离，纵轴是电流密度值。
为了解决上述技术问题，根据本发明实施例的又一方面，提供了一种电弧等离子体特征的仿真分析装置，包括：
创建模块，用于建立二维轴对称的空间维度，并选择直流耦合放电；
建模模块，用于建立电弧等离子体放电的几何模型；其中，所述几何模型包括电极部分和电弧部分，所述几何模型的计算域包括几何区域和电弧计算域；
第一设置模块，用于分别对所述电极部分和所述电弧部分的材料属性进行设置；
第二设置模块，用于分别设置所述磁场部分、所述流体传热部分、所述层流部分、所述多物理场部分和所述电流部分；
其中，
将所述磁场部分设置为相对磁导率、电导率和相对介电常数为来自材料，并设置磁矢量势的初始值和散度条件变量缩放值，添加矢量磁势度规修复；
将所述流体传热部分设置为几何区域流体的密度、恒压热容、比热率来自材料，并设置热绝缘部分以及所述工质气体的初始温度值；
在所述层流部分，设置流体属性为可压缩流动；添加重力节点，以对电弧计算域所受的重力进行计算；添加体积力节点和洛伦兹力，以对所述几何模型的电磁力进行计算；设置工质气体入口条件，包括设置入口速度边界条件和初始法向流入速度值；设置工质气体出口条件，包括设置出口边界压力条件、初始压力、静水压力补偿近似、法向流和抑制回流；
在所述多物理场部分，设置平衡放电热源作用于所述几何模型，电弧部分设置电流为电磁耦合部分，设置流体传热为传热部分，热源分量包含焓传递、焦耳热、体积净辐射损失，其中总体积辐射系统设置为来自材料；设置静态电流密度分量和感应电流密度分量作用于所述几何模型；设置洛伦兹力作用于所述几何模型的电弧部分；设置层流部分为流动耦合；设置整个几何区域为温度耦合；在所述几何模型中设置平衡放电边界热源，设置阳极的表面功函数、阴极的表面功函数、有效理查森数、有效功函数和等离子体电离势；
在所述电流部分设置电流终端和接地，并为所述电流终端至少设置两个电流值；
划分模块，用于对所述几何模型进行网格划分，网格单元数为9380；
求解模块，用于配置求解器的时间单位、时间步长、时间步和容差，并进行求解计算，得到每个所述电流值的仿真结果；
生成模块，用于对各个所述仿真结果进行处理，生成不同所述电流值对应的电弧等离子体的温度分布图和轴向电流密度分布图。
可选地，所述第一设置模块还用于：
在Comsol Multiphysics中，
为所述电极部分选择工质材料，并设置所述工质材料的相对磁导率为1、电导率为3×10
为所述流体部分设置工质气体，并以插值法的形式设置所述工质气体的密度、恒压热容、导热系数、动力粘度和电导率。
可选地，所述第二设置模块进一步用于：
在Comsol Multiphysics中，
将所述磁场部分的磁矢量势的初始值设置为0、散度条件变量缩放值设置为1A/m；
将所述流体传热部分的所述工质气体设置氩气且氩气电离的初始温度值为6000K；
在所述层流部分，设置工质气体入口的初始法向流入速度值为20m/s、工质气体出口的初始压力为0Pa；
设置阳极的表面功函数为4.15V,设置阴极的表面功函数为4.15V，设置有效理查森数为120A/(m
可选地，所述划分模块还用于：
在Comsol Multiphysics中，以自定义的形式对所述几何模型进行自由三角形网格划分；其中，所述电极部分的单元尺寸选择为常规，电极边界设置为边界层网格，并设置边界层数为8、边界层拉伸因子为1.2、第一层厚度选择自动和厚度调节因子为1；所述电弧部分的单元尺寸选择为细化。
可选地，所述求解模块还用于：
在Comsol Multiphysics中，时间单位选择ms，时间步长设置为0.1ms，时间步设置为20ms，并设置容差，求解器基于所述时间单位、所述时间步和所述容差对每个所述电流值对应的仿真数据进行求解，得到每个所述电流值条件下的仿真结果。
可选地，所述生成模块还用于：
在Comsol Multiphysics中，
电弧等离子体的温度分布图选择二维绘图组，采用表面处理方式，且表达式选择温度，对不同所述电流值的电弧等离子体的温度场进行表征和显示；
轴向电流密度分布图选取最后一个所述时间步的各个所述电流值的仿真结果，选择一维绘图组对不同所述电流值的电弧等离子体的轴向电流密度分布进行表征和显示；其中，横轴是所述几何模型的纵坐标的距离，纵轴是电流密度值。
为实现上述目的，根据本发明实施例的又一方面，提供了一种模拟电弧等离子体特征的电子设备。
本发明实施例的一种模拟电弧等离子体特征的电子设备包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本发明实施例的一种电弧等离子体特征的仿真分析方法。
为实现上述目的，根据本发明实施例的再一方面，提供了一种计算机可读存储介质。
本发明实施例的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现本发明实施例的一种电弧等离子体特征的仿真分析方法。
实施本发明的一种电弧等离子体特征的仿真分析方法和仿真分析装置，具有以下有益效果：能够基于Comsol Multiphysics模拟不同电流值下电弧等离子体的特征分布，实现了研究电流大小对电弧等离子体特征的影响，且能够高效准确地得到电弧等离子体的特征分布，操作便捷，大幅度减少了试验时间和成本，对电弧等离子体的应用提供了理论指导和技术支持。
附图说明
图1是本发明实施例的电弧等离子体特征的仿真分析方法的主要步骤的示意图；
图2是本发明一个可参考实施例的电弧等离子体特征的仿真分析方法的流程示意图；
图3是本发明一个可参考实施例的几何模型的示意图；
图4是本发明一个可参考实施例的200A对应的电弧等离子体的温度分布图；
图5是本发明一个可参考实施例的150A对应的电弧等离子体的温度分布图；
图6是本发明一个可参考实施例的100A对应的电弧等离子体的温度分布图；
图7是本发明一个可参考实施例的轴向电流密度分布图；
图8是本发明实施例的电弧等离子体特征的仿真分析装置的主要模块的示意图；
图9是本发明实施例可以应用于其中的示例性系统架构图；
图10是适于用来实现本发明实施例的终端设备或服务器的计算机系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
由于电弧等离子体形成过程涉及了复杂的多物理场耦合，电弧等离子体特征参数的实时监测收到诸多限制，难以研究不同电流值下的电弧等离子体的特征。
Comsol Multiphysics 是基于有限元方法的一款数值仿真软件。本发明在利用Comsol Multiphysics实现电弧等离子体的仿真研究时，能够准确地得到不同电流值下电弧等离子体的特征分布，从而研究电流大小对电弧等离子特性的影响。
如图1所示，本发明实施例提供的一种电弧等离子体特征的仿真分析方法，主要包括以下步骤：
步骤S101、建立二维轴对称的空间维度，并选择直流耦合放电。
可以在Comsol Multiphysics中建立二维轴对称的空间维度，并基于电弧等离子体的性质选择并设置合适的物理场，通过电流部分、磁场部分、流体传热部分、层流部分和多物理场部分能够模拟真实的物理条件。此外，可以选择瞬态研究。
步骤S102、建立电弧等离子体放电的几何模型。
几何模型用于对电弧等离子体放电进行模拟。该几何模型包括电极部分和电弧部分，几何模型的计算域包括几何区域和电弧计算域，同时，该几何模型是电极部分和电弧部分形成的联合体，例如图3所示。
步骤S103、分别对电极部分和电弧部分的材料属性进行设置。
几何模型的计算域包含两个部分，因此分别针对两部分计算域设置其材料属性。
在本发明实施例中，步骤S103可以采用以下方式实现：在Comsol Multiphysics中，为电极部分选择工质材料，并设置工质材料的相对磁导率、电导率、相对介电常数；以及为流体部分设置工质气体，并以插值法的形式设置工质气体的密度、恒压热容、导热系数、动力粘度和电导率。
插值法,插值法又称"内插法"，是利用函数f (x)在某区间中插入若干点的函数值，作出适当的特定函数，在这些点上取已知值，在区间的其他点上用这特定函数的值作为函数f (x)的近似值，这种方法称为插值法。作为一种优选的实施方式，电极部分可以选择石墨材料、相对磁导率设置为1、电导率设置为3×10
步骤S104、分别设置磁场部分、流体传热部分、层流部分、多物理场部分和电流部分。
为研究电流大小对电弧等离子特性的影响，可以设置至少两个电流值，从而对不同电流值下的电弧分布特征进行研究。
具体地，
将磁场部分设置为相对磁导率、电导率和相对介电常数为来自材料，并设置磁矢量势的初始值和散度条件变量缩放值，添加矢量磁势度规修复；
将流体传热部分设置为几何区域流体的密度、恒压热容、比热率来自材料，并设置热绝缘部分以及工质气体的初始温度值；
在层流部分，设置流体属性为可压缩流动；添加重力节点，以对电弧计算域所受的重力进行计算；添加体积力节点和洛伦兹力，以对几何模型的电磁力进行计算；设置工质气体入口条件，包括设置入口速度边界条件和初始法向流入速度值；设置工质气体出口条件，包括设置出口边界压力条件、初始压力、静水压力补偿近似、法向流和抑制回流；
在多物理场部分，设置平衡放电热源作用于几何模型，电弧部分设置电流为电磁耦合部分，设置流体传热为传热部分，热源分量包含焓传递、焦耳热、体积净辐射损失，其中总体积辐射系统设置为来自材料；设置静态电流密度分量和感应电流密度分量作用于几何模型；设置洛伦兹力作用于几何模型的电弧部分；设置层流部分为流动耦合；设置整个几何区域为温度耦合；在几何模型中设置平衡放电边界热源，设置阳极的表面功函数、阴极的表面功函数、有效理查森数（Richardson常数）、有效功函数和等离子体电离势；
在电流部分设置电流终端和接地，并为电流终端至少设置两个电流值
其中，各个部分的控制方程如下：
电流部分：
磁场部分：
流体传热部分：
层流部分：
多物理场部分中洛伦兹力：
式中，
在本发明实施例中，步骤S104还可以包括以下具体设置内容：在ComsolMultiphysics中，将磁场部分的磁矢量势的初始值设置为0、散度条件变量缩放值设置为1A/m；将流体传热部分的工质气体设置氩气且氩气电离的初始温度值为6000K；在层流部分，设置工质气体入口的初始法向流入速度值为20m/s、工质气体出口的初始压力为0Pa；设置阳极的表面功函数为4.15V,设置阴极的表面功函数为4.15V，设置有效理查森数为120A/(m
同样以图3为例，设置FG为阳极、BCDE为阴极。添加矢量磁势度规修复是为了计算磁场，并提高计算的收敛性。此处的初始温度值是设置的初始值，随着计算，初始温度值是变化的。体积力为穿越空间作用在所有流体元上的非接触力。
步骤S105、对几何模型进行网格划分。
网格划分能够影响后续求解的计算精度和收敛过程，本步骤划分的网格单元数为9380。
在本发明实施例中，步骤S105可以采用以下方式实现：在Comsol Multiphysics中，以自定义的形式对几何模型进行自由三角形网格划分。
在Comsol Multiphysics中进行网格划分时，可以设置以下参数：电极部分的单元尺寸选择为常规，电极边界设置为边界层网格，并设置边界层数为8、边界层拉伸因子为1.2、第一层厚度选择自动和厚度调节因子为1；电弧部分的单元尺寸选择为细化。其中，电极边界是电极部分的边界。
步骤S106、配置求解器的时间单位、时间步长、时间步和容差，并进行求解计算，得到每个电流值的仿真结果。
Comsol Multiphysics提供的求解器，可以基于需求进行配置，如时间单位、时间步长、时间步和容差。求解计算多物理场的结果，包括温度场、速度场、电场和磁场，也即仿真结果可以包括温度场、速度场、电场和磁场等内容。通过步骤S101-步骤S105设置了模拟环境，在相同的模拟环境下，随着实验的进行，不同的电流值产生的电弧分布特征也不同，即不同的电流值会得到不同的模拟数据，对每个电流值下的模拟数据单独进行求解计算，得到的计算结果便是相应的模拟结果。需要注意的是，基于控制方程求解器能够按其自身的逻辑进行计算，且对于控制方程中的参数如果未主动设置，则自动按默认值计算。
在本发明实施例中，步骤S106可以采用以下方式实现：在Comsol Multiphysics中，时间单位选择ms，时间步长设置为0.1ms，时间步设置为20ms，并设置容差，求解器基于时间单位、时间步长、时间步和容差对每个电流值对应的仿真数据进行求解，得到每个电流值条件下的仿真结果。
其中，时间步包括步长、计算起始时间和计算终止时间。在Comsol Multiphysics中，容差可以选择用户控制，并主动设置相对容差，进行求解。
步骤S107、对各个仿真结果进行处理及分析，生成不同电流值对应的电弧等离子体的温度分布图和轴向电流密度分布图。
Comsol Multiphysics能够对仿真结果进行处理及分析，并以图的形式对仿真结果进行展示。其中，电弧等离子体的温度分布图（例如图4、5、6）用于展示每个电流值对电弧温度分布的影响，轴向电流密度分布图用于展示不同电流值下轴向电流密度分布，可以将不同电流值下轴向电流密度分布绘制到同一图中（例如图7）。
在本发明实施例中，步骤S107可以采用以下方式实现：在Comsol Multiphysics中，电弧等离子体的温度分布图选择二维绘图组，采用表面处理方式，且表达式选择温度，对不同电流值的电弧等离子体的温度场进行表征和显示；不同电流值下轴向电流密度分布图选取最后一个时间步的各个电流值的仿真结果，选择一维绘图组对不同电流值的电弧等离子体的轴向电流密度分布进行表征和显示。
其中，在不同电流值下轴向电流密度分布图中，横轴可以是几何模型的纵坐标的距离（也即距离原点的距离），纵轴可以是电流密度值。
下文将通过举例的方式对本发明进行进一步的说明，目的是有助于本领域技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施，但是本发明的保护范围不限于这些实施例。
实施例一
如图2所示，在本发明实施例中，基于Comsol Multiphysics实现电弧等离子体特征的仿真分析方法，该方法可以参考以下流程实施：
1、选择空间维度和物理场
在Comsol Multiphysics中建立二维轴对称的空间维度，基于电弧等离子体的性质，选择直流耦合放电，并对电流部分、磁场部分、流体传热部分、层流部分和多物理场部分进行设置，并选择瞬态研究。
2、建立电弧等离子体几何模型
几何模型的计算域包括电极部分和电弧部分，在图3所示的几何模型中，ABCDE为电极部分，EHGFBCD为氩气部分。在Comsol Multiphysics中，BF设置为10mm，FG设置为9.4mm，HG设置为14mm，BC设置为0.3mm，DE设置为3mm，AE设置为0.75mm，AB设置为4mm，并设置电极部分和电弧部分形成联合体。
3、根据不同的计算域设置材料属性
由于计算域包含两个部分，因此分别针对两部分计算域设置其材料属性。在Comsol Multiphysics中，电极部分选择石墨材料，相对磁导率设置为1、电导率设置为3×10
4、对各部分进行设置
即在Comsol Multiphysics中，分别对磁场部分、流体传热部分、层流部分、多物理场部分和电流部分进行设置。
其中，
对于电流部分，将AE设置为电流终端，电流值I
磁场部分设置为相对磁导率、电导率和相对介电常数为来自材料，并设置磁矢量势的初始值和散度条件变量缩放值，添加矢量磁势度规修复；
流体传热部分中，设置为几何区域流体的密度、恒压热容、比热率来自材料，将BCDE和FG设置为热绝缘，并设置热绝缘部分以及工质气体的初始温度值，即赋予氩气电离条件的一个初始温度值为6000K；
层流部分中，设置流体属性为可压缩流动；将EH设置为工质气体入口，设置入口速度边界条件和初始法向流入速度值为20m/s；将HG设置为氩气出口，设置出口边界压力条件、初始压力、静水压力补偿近似、法向流和抑制回流；添加体积力节点和洛伦兹力，以对几何模型的电磁力进行计算；添加重力节点，以对电弧计算域所受的重力进行计算，选择包含重力选项，重力加速度z方向输入“-g_const m/s
在多物理场部分，设置电极属性，具体为设置FG为阳极、BCDE为阴极。以及，设置平衡放电热源作用于几何模型，电弧部分设置电流为电磁耦合部分，设置流体传热为传热部分，热源分量包含焓传递、焦耳热、体积净辐射损失，其中总体积辐射系统设置为来自材料；设置静态电流密度分量和感应电流密度分量作用于几何模型；设置洛伦兹力作用于几何模型的电弧部分；设置层流部分为流动耦合；设置整个几何区域为温度耦合；在几何模型中设置平衡放电边界热源，设置阳极的表面功函数、阴极的表面功函数、有效Richardson常数、有效功函数和等离子体电离势。
其中各个部分的控制方程如下所示：
电流部分：
磁场部分：
流体传热部分：
层流部分：
多物理场部分中洛伦兹力：
式中，
5、对电弧等离子体模型进行网格划分
在Comsol Multiphysics中，对电弧等离子体模型（即几何模型）进行自由三角形网格划分，划分后的网格单元数为9380。网格划分方式选择用户自定义，在网格划分之前，将计算区域划分为两个部分，其中，电极部分的单元尺寸选择为常规、电弧部分的单元尺寸选择为细化；将电极边界设置为边界层网格；边界层数为8，边界层拉伸因子为1.2，第一层厚度选择自动，厚度调节因子设置为1。
6、配置求解器并计算
在Comsol Multiphysics中，设置时间单位为ms、时间步长设置为0.1ms，时间步设置为20ms。容差选择用户控制，相对容差设置为0.01，进行求解。
需要注意的是，在完成一次计算后，如果未收敛可以检查设置并修改。
7、结果处理及分析
对于电弧等离子体的温度分布图，选择二维绘图组，时间选择为20ms，选择表面处理方式，表达式选择温度，对不同电流值下的电弧等离子体的温度场进行表征和显示；
对于轴向电流密度分布图，选择一维绘图组，对不同电流值的电弧等离子体的轴向电流密度分布进行分析，时间选择为最后一个，横轴数据选择BF，纵轴数据选择电流密度模。
实施例二
为研究电流大小对电弧等离子特性的影响，可以设置至少两个电流值，从而对不同电流值下的电弧分布特征进行研究。
接前例，除电流值分别设置为200A、150A和100A之外，其余设置保持不变，按照步骤S201-步骤S207进行仿真分析，最终分别生成对应于不同电流值的电弧等离子体的温度分布图和不同电流值下的轴向电流密度分布图。
图4、5、6分别是200A、150A和100A对应的电弧等离子体的温度分布图。需要说明的是，在展示电流值对应的电弧等离子体的温度分布图（即图4、5和6）时，还可以用不同颜色表示不同温度等级，例如以紫色、红色、橘色、黄色、浅绿色、绿色、浅蓝色、蓝色和深蓝色等颜色及其渐变色表示最高温到最低温，则图4、5和6会显示为，以电极下端为中心向外扩散主要显示的颜色依次为紫色、红色、橘色、黄色、浅绿色、绿色、浅蓝色、蓝色和深蓝色，其中，除深蓝色部分组成“钟罩型”，“钟罩型”之外为深蓝色。
从图4、5和6可以看出，电弧温度分布整体呈现“钟罩型”，这与现有技术条件下的测量结果相吻合，电弧轴向温度最高，沿轴向温度逐渐降低。阳极附近温降较为严重，焦耳热现象明显降低。当电流值不断降低时，电弧等离子体的最高温度也不断降低。电流为电弧等离子体的形成提供能量，电流大小对电弧的影响较为显著。
基于图4、5和6，当电流为200A, 150A，100A时，电弧的最高温度分别为26800K，24400K，20200K。电弧的最高温度随着电流值的减小而减小，但不同电流大小下，电弧的轴向温度分布趋向一致，在阴极附近出现最大值，在弧柱区逐渐降低，在阳极附近又出现陡降趋势。阳极附近温降较为严重，焦耳热现象明显降低。电流为电弧等离子体的形成提供能量，电流大小对电弧的影响较为显著。（由图7也可以看出随着电流值的降低，阴极处电流密度的最大值也逐渐降低。）
图7示出了不同电流值的情况下，轴向电流密度分布，由图7也可以看出随着电流值的降低，阴极处电流密度的最大值也逐渐降低。图7的横轴表示对称轴BF上的点，纵轴表示这些点对应的电流密度值。
根据以上两个实施例，本发明实施例利用Comsol Multiphysics的多物理场耦合的优势，实现了对电弧等离子体的模拟，能够方便快捷地研究不同电流下电弧等离子体的特征变化，同时计算了不同电流值下电弧等离子体的特征。
此外，如图8所示，本发明实施例还提供了一种电弧等离子体特征的仿真分析装置，包括创建模块801、建模模块802、第一设置模块803、第二设置模块804、划分模块805、求解模块806和生成模块807。
其中，
创建模块801，用于建立二维轴对称的空间维度，并选择直流耦合放电；
建模模块802，用于建立电弧等离子体放电的几何模型；其中，所述几何模型包括电极部分和电弧部分，所述几何模型的计算域包括几何区域和电弧计算域；
第一设置模块803，用于分别对所述电极部分和所述电弧部分的材料属性进行设置；
第二设置模块804，用于分别设置所述磁场部分、所述流体传热部分、所述层流部分、所述多物理场部分和所述电流部分；
其中，
将所述磁场部分设置为相对磁导率、电导率和相对介电常数为来自材料，并设置磁矢量势的初始值和散度条件变量缩放值，添加矢量磁势度规修复；
将所述流体传热部分设置为几何区域流体的密度、恒压热容、比热率来自材料，并设置热绝缘部分以及所述工质气体的初始温度值；
在所述层流部分，设置流体属性为可压缩流动；添加重力节点，以对电弧计算域所受的重力进行计算；添加体积力节点和洛伦兹力，以对所述几何模型的电磁力进行计算；设置工质气体入口条件，包括设置入口速度边界条件和初始法向流入速度值；设置工质气体出口条件，包括设置出口边界压力条件、初始压力、静水压力补偿近似、法向流和抑制回流；
在所述多物理场部分，设置平衡放电热源作用于所述几何模型，电弧部分设置电流为电磁耦合部分，设置流体传热为传热部分，热源分量包含焓传递、焦耳热、体积净辐射损失，其中总体积辐射系统设置为来自材料；设置静态电流密度分量和感应电流密度分量作用于所述几何模型；设置洛伦兹力作用于所述几何模型的电弧部分；设置层流部分为流动耦合；设置整个几何区域为温度耦合；在所述几何模型中设置平衡放电边界热源，设置阳极的表面功函数、阴极的表面功函数、有效理查森数、有效功函数和等离子体电离势；
在所述电流部分设置电流终端和接地，并为所述电流终端至少设置两个电流值；
划分模块805，用于对所述几何模型进行网格划分，网格单元数为9380；
求解模块806，用于配置求解器的时间单位、时间步长、时间步和容差，并进行求解计算，得到每个所述电流值的仿真结果；
生成模块807，用于对各个所述仿真结果进行处理，生成不同所述电流值对应的电弧等离子体的温度分布图和轴向电流密度分布图。
在本发明实施例中，所述第一设置模块803还可以用于：
在Comsol Multiphysics中，
为所述电极部分选择工质材料，并设置所述工质材料的相对磁导率为1、电导率为3×10
为所述流体部分设置工质气体，并以插值法的形式设置所述工质气体的密度、恒压热容、导热系数、动力粘度和电导率。
在本发明实施例中，所述第二设置模块804可以进一步用于：
在Comsol Multiphysics中，
将所述磁场部分的磁矢量势的初始值设置为0、散度条件变量缩放值设置为1A/m；
将所述流体传热部分的所述工质气体设置氩气且氩气电离的初始温度值为6000K；
在所述层流部分，设置工质气体入口的初始法向流入速度值为20m/s、工质气体出口的初始压力为0Pa；
设置阳极的表面功函数为4.15V,设置阴极的表面功函数为4.15V，设置有效理查森数为120A/(m
在本发明实施例中，所述划分模块805还可以用于：
在Comsol Multiphysics中，以自定义的形式对所述几何模型进行自由三角形网格划分；其中，所述电极部分的单元尺寸选择为常规，电极边界设置为边界层网格，并设置边界层数为8、边界层拉伸因子为1.2、第一层厚度选择自动和厚度调节因子为1；所述电弧部分的单元尺寸选择为细化。
在本发明实施例中，所述求解模块806还可以用于：
在Comsol Multiphysics中，时间单位选择ms，时间步长设置为0.1ms，时间步设置为20ms，并设置容差，求解器基于所述时间单位、所述时间步和所述容差对每个所述电流值对应的仿真数据进行求解，得到每个所述电流值条件下的仿真结果。
在本发明实施例中，所述生成模块807还可以用于：
在Comsol Multiphysics中，
电弧等离子体的温度分布图选择二维绘图组，采用表面处理方式，且表达式选择温度，对不同所述电流值的电弧等离子体的温度场进行表征和显示；
轴向电流密度分布图选取最后一个所述时间步的各个所述电流值的仿真结果，选择一维绘图组对不同所述电流值的电弧等离子体的轴向电流密度分布进行表征和显示；其中，横轴是所述几何模型的纵坐标的距离，纵轴是电流密度值。
图9示出了可以应用本发明实施例的电弧等离子体特征的仿真分析方法或电弧等离子体特征的仿真分析装置的示例性系统架构900。
如图9所示，系统架构900可以包括终端设备901、902、903，网络904和服务器905。网络904用以在终端设备901、902、903和服务器905之间提供通信链路的介质。网络904可以包括各种连接类型，例如有线、无线通信链路或者光纤电缆等等。
用户可以使用终端设备901、902、903通过网络904与服务器905交互，以接收或发送消息等。终端设备901、902、903上可以安装有各种通讯客户端应用。
终端设备901、902、903可以是具有显示屏并且支持网页浏览的各种电子设备，包括但不限于智能手机、平板电脑、膝上型便携计算机和台式计算机等等。
服务器905可以是提供各种服务的服务器，例如用于提供支持的后台管理服务器。后台管理服务器可以对接收到的产品信息查询请求等数据进行分析等处理，并将处理结果反馈给终端设备。
需要说明的是，本发明实施例所提供的电弧等离子体特征的仿真分析方法一般由服务器905执行，相应地，电弧等离子体特征的仿真分析装置一般设置于服务器905中。
应该理解，图9中的终端设备、网络和服务器的数目仅仅是示意性的。根据实现需要，可以具有任意数目的终端设备、网络和服务器。
下面参考图10，其示出了适于用来实现本发明实施例的终端设备的计算机系统1000的结构示意图。图10示出的终端设备仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图10所示，计算机系统1000包括中央处理单元（CPU）1001，其可以根据存储在只读存储器（ROM）1002中的程序或者从存储部分1008加载到随机访问存储器（RAM）1003中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 1003中，还存储有系统1000操作所需的各种程序和数据。CPU 1001、ROM 1002以及RAM 1003通过总线1004彼此相连。输入/输出（I/O）接口1005也连接至总线1004。
以下部件连接至I/O接口1005：包括键盘、鼠标等的输入部分1006；包括诸如阴极射线管（CRT）、液晶显示器（LCD）等以及扬声器等的输出部分1007；包括硬盘等的存储部分1008；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分1009。通信部分1009经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器1010也根据需要连接至I/O接口1005。可拆卸介质1011，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器1010上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分1008。
特别地，根据本发明公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分1009从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质1011被安装。在该计算机程序被中央处理单元（CPU）1001执行时，执行本发明的系统中限定的上述功能。
需要说明的是，本发明所示的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦式可编程只读存储器（EPROM或闪存）、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器（CD-ROM）、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本发明中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
描述于本发明实施例中所涉及到的模块可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。所描述的模块也可以设置在处理器中，例如，可以描述为：一种处理器包括创建模块、建模模块、第一设置模块、第二设置模块、划分模块、求解模块和生成模块。其中，这些模块的名称在某种情况下并不构成对该模块本身的限定，例如，划分模块还可以被描述为“对所述几何模型进行网格划分的模块”。
作为另一方面，本发明还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该设备执行时，使得该设备包括：步骤S101-步骤S107。
综上所述，本发明实施例的电弧等离子体的仿真分析方法和仿真分析装置至少具有如下的有益效果：
能够基于Comsol Multiphysics模拟不同电流值下电弧等离子体的特征分布，实现了研究电流大小对电弧等离子体特征的影响，且能够高效准确地得到电弧等离子体的特征分布，操作便捷，大幅度减少了试验时间和成本，对电弧等离子体的应用提供了理论指导和技术支持。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
机译： 仿真分析装置，仿真分析方法，程序
机译： 仿真分析器，仿真分析方法和程序
机译： 4〜20mA仪表系统异常仿真信号分析方法及异常信号仿真分析模块
