基于mhd的低壓斷路器滅弧室電弧仿真建模

0模型的建立和應用在低壓行業，當開關接觸頭打開時，弧源會移動到圓弧的一部分，并最終停止。因此,研究分斷電弧的運動特性對低壓斷路器的設計來說具有重要的意義。由于電弧的運動是一個涉及到電場、磁場、熱場及流場變化的復雜過程,因而幾十年來大多數關于電弧的研究都是以實驗作為基礎。近年來,隨著計算機性能的提高和軟件技術的發展,分斷電弧的仿真才成為可能。到目前為止,國外的學者在分斷電弧的仿真工作方面一直走在前沿。文獻采用了二維電弧仿真模型,但它沒有考慮電弧的運動過程和外加磁場因素的影響;文獻中對穩態電弧和動態電弧分別進行了仿真,并且介紹了不同介質下的開斷電弧動態特性,但其電極邊界上的電流密度是一個關于二維電極面坐標的指數分布,與電極和滅弧室內溫度沒有關系,且其電極溫度恒定不變;文獻較為全面地介紹了包括電極在內的電弧仿真模型,給出了電弧動態分析的詳細結果,但沒有給出不同外加磁場下電弧動態特性。本文基于MHD理論,將氣流場、熱場及電磁場耦合在一起,考慮了它們相互之間復雜的作用過程,建立了三維電弧動態模型。MHD理論以整個滅弧室為研究對象,更加符合分斷電弧充滿滅弧室的實際情況,故能較好地模擬出電弧的物理性質。模型方程的給出采用有限容積法(FVM)。FVM導出的離散方程組可以保證具有守恒特性,而且離散方程系數的物理意義明確,是目前流動與傳熱問題的數值計算中應用最廣的一種方法。由于實際低壓斷路器滅弧室幾何結構復雜,為了便于分析,國內外通用的方法是采用簡化的滅弧室模型。本文3D簡化滅弧室幾何模型的建立和剖分在GAMBIT2.0軟件中完成;由于FLUENT軟件擁有豐富的物理模型和先進的數值計算方法,能模擬流體流動、傳熱傳質、化學反應和其他復雜的物理現象,其網格處理功能尤為強大,接口函數的使用也較為方便,便于進行二次開發。因此,本文以商用流體計算軟件FLUENT6.1為計算平臺,求解電弧中流場和電磁場的相關耦合問題。由于本文關注的是電弧的運動過程,沒有考慮電極的打開及電弧的熄滅過程,僅考慮電弧的運動過程。1低能耗電網動態模擬模型的構建1.1系統模型的建立本文仿真內容為低壓斷路器滅弧室內電弧等離子體的運動特性,并以整個滅弧室為仿真對象。然而實際低壓斷路器滅弧室較為復雜,為了便于物理仿真模型的建立,采用了簡化實際滅弧室模型。圖1為本文研究的對象——簡化的滅弧室幾何模型。長度為45mm,高和寬約為7.8mm,模型上下為電極,仿真中電極上流過500A的直流電流。中間空氣部分被四壁包圍,其中一端裝有絕緣柵片,柵片之間留有一個出氣孔。1.2導電流體的仿真過程在研究電弧等離子體的宏觀運動時,常把它作為特殊的流體來處理,其特點在于該流體帶有導電的粒子,故而為一種導電流體。該流體的物性參數主要有密度、粘性系數、熱導率、定壓比熱、電導率,它們都是關于溫度和壓力的函數。由于電弧動態運動過程是一個復雜的電磁過程,為了減小仿真的復雜性,本文在仿真過程中引入了一些用來簡化問題的假設:(1)認為沒有空間電荷層,即不考慮電極附近的空間電荷層。(2)忽略電極損耗和器壁損耗。1.3為應對電弧動態模型mwd的方程磁流體動力學是在流體力學和電磁學基礎上研究導電流體的學科,它通常包括了流體動力學方程組和與電磁場相關的麥克斯韋方程組。(1)質量常數守固定公式?ρ?t+div(ρV)=0(1)?ρ?t+div(ρV)=0(1)(2)動物gradi的合成?(ρυt)?t+div(ρυiV)=?div(ηgradυi)+Si(2)?(ρυt)?t+div(ρυiV)=-div(ηgradυi)+Si(2)(3)能量守固定公式(4)現場公式div(σgrad?)=0(4)J=σE}div(σgrad?)=0(4)J=σE}(5)磁體計算div(gradAi)=?μji(5)B=?×A(6)div(gradAi)=-μji(5)B=?×A(6)1.4電極熱發射材料的計算邊界由于本文的計算涉及流場和電磁場,故邊界條件包括了流場邊界條件和電磁場邊界條件。流場中速度邊界的處理按照流場計算的通用處理方法,即認為面壁為無滑移的邊界;本文設出氣口壓力值為一個大氣壓的壓力出口條件;壁面溫度邊界以及電弧與電極之間的傳熱均采用一維傳熱公式:q=?λˉgradT(7)q=-λˉgradΤ(7)電場的計算邊界按照電流密度來定義,由于電極/電弧界面處的實際電流密度不易確定,本文按照熱發射原理給定弧根處電流密度ji∝T2iexp(?WKBTi)(8)ji∝Τi2exp(-WΚBΤi)(8)式中Ti——電極/電弧界面上相應單元溫度值W——電極材料的工作函數值KB——波耳茲曼常數由于在本文計算電流下,電弧弧根的直徑在陰極和陽極處相差不大,故本文在計算中認為陰極和陽極處具有相同的電流密度。磁場的邊界本文人為地擴大了模型的邊界,并認為擴大邊界處為零的磁矢位。1.5計算數值的方法本文在FLUENT軟件包的基礎上進行了二次開發,使用了Couple方法對滅弧室中流場、電磁場進行了求解,求解流程如圖2所示。2低壓電壓動態模擬的結果和分析2.1縱向截面溫度分布圖3為計算電流為500A、外加磁場為-10mT和出氣口全開放時,不同時間情況下滅弧室縱向截面溫度分布情況。由圖可見,電弧起始速度較小,隨著時間的增加,電弧運動速度也相應增加?；≈鶞囟冗_到近30000K,并且在靠近電極位置處具有最高的溫度。這主要是由于電極處的電流密度較大,造成了局部很大的焦耳熱,使得該處的溫度較其他位置的要高。2.2等離子體噴流對弧室的影響對應于圖3情況下0.6ms時刻,滅弧室內的氣流場如圖4所示。可以看出,滅弧室中存在著等離子體噴流,分別由陽極噴流和陰極噴流組成。噴流由電極區域流向滅弧室中間位置,并且陽極噴流和陰極噴流相碰,最終電弧在滅弧室中間形成一個圓盤狀,這在圖3溫度分布中可以看出。整個噴流的最大速度達到519m/s左右。2.3電極周邊壓力圖5為滅弧室在0.6ms時的壓強分布。可以看出,弧柱區域的壓強相對較大,尤其是在電極附近壓力最大,這主要是由于電極附近區域的弧柱溫度相對較高。電極附近大的壓強也是造成陰極噴流和陽極噴流的主要原因之一。同時,由于出氣口的存在使得外界與滅弧室內部相連,滅弧室內的壓強最大值為0.11MPa。2.4磁場的影響在不同磁場和出口條件下,電弧的運動情況也不同,隨著磁場的增加,電弧運動速度增大,運動時間減小。然而出氣口面積的增大也會導致電弧運動變快,然而隨著出氣口面積的增大,電弧運動的變化程度也越來越小,最終基本不變。3仿真結果參數分析本文采用了MHD理論,以FLUENT6.1軟件包為計算平臺,建立了低壓簡化滅弧室內電弧運動的仿真模型,給出了相關仿真結果參