熔化极气体保护电弧(Gas metal arc,GMA)填丝增材制造技术具有设备成本低、堆积效率高、成形件力学性能好等优点,广泛应用于复杂金属构件制造和修复领域。然而,GMA增材制造过程热输入大,工艺参数较多,对堆积层的尺寸和形状优化困难。而堆积过程中,堆积层的形状和尺寸与熔池中热传输和流体流动息息相关。基于此,本文采用数值模拟方法针对GMA增材制造熔池温度场及流场分布特性进行分析,预测熔池尺寸和形状,揭示成形过程熔池中的传热传质特性,并探讨工艺参数对熔池热场及流场分布的影响,为实现高效率、高质量薄壁件增材制造建立理论基础。本文综合考虑了气-液-固三相耦合及熔滴与熔池的交互作用,基于FLUENT仿真软件,建立了不锈钢GMA增材制造三维瞬态熔池流动数值模型。对软件进行二次开发,考虑材料的热物理性能及相变潜热等因素,将熔滴视作从熔池上方以一定速度周期性流入的高温液态金属,探讨不锈钢GMA增材制造瞬态沉积过程中的热场和流场分布特性。并开展工艺实验获得堆积层宏观形貌图,以验证模型的可行性。数值分析结果表明,随堆积过程进行,基板上的温度逐渐升高,高温区域逐渐增大,温度梯度减小,熔池中心温度逐渐增加,流体流速增大,液态金属在Marangoni力作用下向熔池边缘流动,形成Marangoni环流,致使熔池长度和宽度增大。随着堆积层数的增加,熔池中的最高温度升高,熔池长度逐渐增大,堆积第一、二、三层时,熔池中点附近的最高温度分别是2355 K、2397 K和2933 K,熔池长度分别是10.8 mm、11.8 mm和12.4 mm。堆积过程结束并冷却至室温时,堆积层沿热源移动方向呈前低后高分布。在此基础上,研究了行走速度和堆积电流对连续堆积情况下GMAW增材制造熔池热场及流场动态演变行为的影响。模拟结果表明,行走速度增大时,热源前方的等温线分布变密,温度梯度增大,基板和熔池中的最高温度降低,熔池流场分布范围减小,流速降低,堆积层层宽和层高减小,熔池上表面波动减弱。行走速度为0.01 m/s、0.015 m/s和0.02 m/s时,熔池中的最大流速在第二层长10 mm位置处分别为0.113 m/s、0.105 m/s和0.095 m/s。增大堆积电流,基板和熔池中的最高温度升高,流场分布范围增大,熔池中最大流速增大,熔池深度、长度和宽度都增加,熔池上表面波动减弱,堆积层上表面分布均匀。第二层长10 mm处,熔池中最大流速在堆积电流为150 A和200 A时分别是0.095 m/s和0.13 m/s。