智能式斷路器滅弧室氣流場(chǎng)計(jì)算的一種新思路

1、智能式斷路器滅弧室氣流場(chǎng)計(jì)算的一種新思路作者:林莘鐘建英轉(zhuǎn)貼自:電源技術(shù)應(yīng)用更新時(shí)間:2006-2-14摘要:智能式斷路器滅弧室存在著壓氣室、膨脹室、噴口、動(dòng)觸頭、靜觸頭等復(fù)雜結(jié)構(gòu),而且多為不規(guī)則形狀,使得要準(zhǔn)確地對(duì)滅弧室的結(jié)構(gòu)建立幾何模型是一件比較困難的事情。而幾何建模的準(zhǔn)確與否關(guān)系到能否生成高質(zhì)量的網(wǎng)格,網(wǎng)格生成技術(shù)又是得到精確結(jié)果的關(guān)鍵技術(shù)之一。所以,針對(duì)復(fù)雜的幾何形狀建模困難的情況,該文采用區(qū)域擴(kuò)充法利用PHOENICS計(jì)算流體力學(xué)軟件與自編程相結(jié)合的方式對(duì)智能式斷路器滅弧室內(nèi)噴口部分的氣流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算,并與其他計(jì)算方法取得的結(jié)果做了比較,結(jié)果證明文中所嘗試的方法是有效可行的,為智能式

2、斷路器滅弧室氣流場(chǎng)的計(jì)算提供了一種新思路。關(guān)鍵詞:智能式斷路器;區(qū)域擴(kuò)充法;計(jì)算流體力學(xué)軟件;氣流場(chǎng)計(jì)算1 引言智能式斷路器滅弧室結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,存在著壓氣室、膨脹室、噴口、動(dòng)觸頭、靜觸頭等,而且多為不規(guī)則形狀,因而所涉及到的氣流場(chǎng)的邊界條件比較復(fù)雜。所以在做幾何建模的過(guò)程中,要準(zhǔn)確地對(duì)滅弧室的結(jié)構(gòu)建立幾何模型是一件比較困難的事情。而幾何建模的準(zhǔn)確與否關(guān)系到能否生成高質(zhì)量的網(wǎng)格。網(wǎng)格生成所需要的人力時(shí)間占一個(gè)全部計(jì)算任務(wù)時(shí)間的60%左右甚至更長(zhǎng),因此網(wǎng)格生成技術(shù)是得到精確結(jié)果的關(guān)鍵技術(shù)之一。在流場(chǎng)計(jì)算中,一般情況下采用幾種方法來(lái)處理復(fù)雜區(qū)域內(nèi)的換熱和流動(dòng),如階梯型網(wǎng)格、區(qū)域擴(kuò)充法、三角形網(wǎng)格、貼

3、體坐標(biāo)、以及坐標(biāo)組合法等。本文認(rèn)為區(qū)域擴(kuò)充法是流體力學(xué)中采用的最多的一種方法,技術(shù)比較成熟,特點(diǎn)簡(jiǎn)單明了,而其它的方法都需要在網(wǎng)格劃分上花費(fèi)很大的精力,甚至還要進(jìn)行坐標(biāo)變換,因此可能要引入較多的計(jì)算誤差。采用區(qū)域擴(kuò)充法在一定程度上會(huì)延長(zhǎng)計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)間,增加存儲(chǔ)量,但是,與用規(guī)則的網(wǎng)格來(lái)處理任意幾何形狀的計(jì)算區(qū)域所帶來(lái)的好處相比是可以不考慮這一缺點(diǎn)的。所以在本文中利用區(qū)域擴(kuò)充法或者通俗的說(shuō)是挖洞法來(lái)對(duì)滅弧室復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬生成計(jì)算網(wǎng)格,從而對(duì)其中的氣流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。目前有很多的專(zhuān)門(mén)流體計(jì)算軟件出現(xiàn),PHOENICS是世界上第一個(gè)投放市場(chǎng)的CFD商用軟件(1981,由于該軟件投放市場(chǎng)較早,所以在工業(yè)

4、界得到廣泛的應(yīng)用。例如,空氣動(dòng)力學(xué)、電子器件冷卻、噴嘴中的流動(dòng)等等。早期的PHOENICS 在開(kāi)發(fā)時(shí)受到基本框架的限制,在人機(jī)界面上不很靈活。目前,這個(gè)軟件雖然在功能與方法上作了較大的改進(jìn),但是在建立形狀復(fù)雜的幾何模型的前處理方面仍然有一定的欠缺。另外,智能式斷路器的滅弧原理是利用電弧堵塞現(xiàn)象使用電弧自身的能量來(lái)熄滅電弧的,所以,對(duì)噴口氣流場(chǎng)進(jìn)行分析是一個(gè)重要的課題,可以為設(shè)計(jì)出最佳噴口形狀提供理論依據(jù)。本文率先采用區(qū)域擴(kuò)充法,利用PHOENICS計(jì)算流體力學(xué)軟件與自編程相結(jié)合的方式對(duì)空載情況下智能式SF6高壓斷路器滅弧室內(nèi)噴口部分的氣流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算,得到了較好的計(jì)算結(jié)果。2 滅弧室噴口氣流場(chǎng)

5、數(shù)學(xué)模型本文中所用的氣流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型是可壓縮流體動(dòng)力學(xué)基本方程組。連續(xù)方程能量方程式中 Vz 為軸向速度分量;Vr為徑向速度分量;為密度;P為氣壓;T為溫度;G p 、分別為定壓比熱、粘性系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù);而r、z、t分別為徑向坐標(biāo)、軸向坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo);為修正系數(shù)。3 計(jì)算方法簡(jiǎn)介高壓斷路器在開(kāi)斷的過(guò)程中有電弧的產(chǎn)生,所以滅弧室的氣流場(chǎng)中涉及到傳熱的問(wèn)題。為了充分體現(xiàn)數(shù)學(xué)模型所表現(xiàn)的能量守恒原理,計(jì)算的基礎(chǔ)是以單位控制容積為研究對(duì)象的。如圖1所示,J代表一個(gè)典型變量的流量密度。dx,dy及dz為控制容積長(zhǎng)、寬、高,J在x 方向的分量Jx是進(jìn)入面流量密度,在x方向上,控制體流出的凈流量為dxdydz

6、。同樣可以得到y(tǒng)和z方向的相應(yīng)流量。S為源項(xiàng),代表著所有不能歸入名義上的擴(kuò)散項(xiàng)的因子或項(xiàng);為相對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)。式(6就是本計(jì)算的理論基礎(chǔ),稱(chēng)為通用微分方程。方程中的四項(xiàng)分別為非穩(wěn)定項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)以及源項(xiàng)。因變量可以代表各種不同的物理量,如T,Vz ,Vr,K,等等。式(1(4都可以寫(xiě)成式(6的形式。本文中的區(qū)域擴(kuò)充法就是利用此方程的物理意義和特點(diǎn)對(duì)滅弧室中噴口內(nèi)的氣流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算。在計(jì)算時(shí),把不規(guī)則的計(jì)算區(qū)域擴(kuò)充為規(guī)則的網(wǎng)格,使得規(guī)則網(wǎng)格中的某些控制容積不起作用,讓起作用的控制容積構(gòu)成所需要求解的不規(guī)則計(jì)算區(qū)域。所以,在本文中,計(jì)算區(qū)域包括流體與固體兩部分,并以壁的外表面作為邊界。在求解

7、時(shí),取流體的粘度作為流體區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格點(diǎn)的擴(kuò)散系數(shù)值,而在固體區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格點(diǎn)的擴(kuò)散值取一個(gè)非常大的數(shù)。在給處于固體邊界上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)賦值時(shí),源項(xiàng)通常是造成迭代發(fā)散的原因,所以需要對(duì)源項(xiàng)進(jìn)行處理,以便使邊界上的節(jié)點(diǎn)取給定的值。而對(duì)源項(xiàng)線(xiàn)性化是可以達(dá)到收斂解的關(guān)鍵,因此通常源項(xiàng)可以寫(xiě)成下面的形式式中SC 為與P有關(guān)部分的系數(shù)。如果在邊界上的一個(gè)點(diǎn)已知值為B,則利用下列方式就可以把該已知值賦予該點(diǎn)。即設(shè)SC =1030B,則SP=-1030。這里1030表示一個(gè)大到足以使方程(6離散化后的方程中的其他各項(xiàng)可被忽略的數(shù)值。則離散化方程就變?yōu)楫?dāng)通用的變量P 是分別代表Vr,Vz,T時(shí),將式(9中的B分別取給定

8、的邊界值。4 計(jì)算結(jié)果與分析智能式SF6斷路器滅弧室結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。根據(jù)上述方法來(lái)計(jì)算空載情況下智能式SF6高壓斷路器滅弧室內(nèi)氣流場(chǎng)的情況。在斷路器分?jǐn)嗖僮鲿r(shí),膨脹室內(nèi)的氣體通過(guò)噴口流出滅弧室,噴口內(nèi)流動(dòng)參數(shù)的變化會(huì)直接影響到膨脹室內(nèi)氣體狀態(tài)參數(shù)的變化5-8,因而噴口內(nèi)流動(dòng)參數(shù)的變化對(duì)于整個(gè)滅弧室內(nèi)的氣流場(chǎng)的情況是十分重要的。本文主要對(duì)內(nèi)外噴口內(nèi)氣流場(chǎng)的情況進(jìn)行分析。滅弧室內(nèi)氣體基壓為0.5MPa,初始溫度為300K。場(chǎng)域內(nèi)各點(diǎn)的氣流速度為零。斷路器的行程運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)如圖3所示。計(jì)算時(shí)膨脹室氣流入口速度為氣缸運(yùn)動(dòng)速度,出口背壓為初始?jí)毫?。由于在開(kāi)斷過(guò)程中動(dòng)觸頭是運(yùn)動(dòng)的,所以涉及到移動(dòng)邊界的問(wèn)

9、題。本文在整個(gè)行程的氣流場(chǎng)求解過(guò)程中,將動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)看成是非常多的小的行程段組成。在每個(gè)小的行程段中,可以認(rèn)為動(dòng)靜觸頭位置相對(duì)靜止,同時(shí)將上一個(gè)行程段的計(jì)算結(jié)果作為下一行程段的初值,直至動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)結(jié)束。在圖4和圖5中詳細(xì)地說(shuō)明利用區(qū)域擴(kuò)充法建立的幾何模型,圖4為滅弧室噴口部分場(chǎng)域剖分示意圖,圖中用粗的黑實(shí)線(xiàn)表示這些區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格點(diǎn),其擴(kuò)散值取一個(gè)非常大的數(shù)使其成為不活動(dòng)的區(qū)域;圖5是局部放大的固體區(qū)域處理。被顏色填充的部分為固體區(qū)域,其中對(duì)于不完全為固體區(qū)域的規(guī)則網(wǎng)格(如圖中的網(wǎng)格1、網(wǎng)格2在編程時(shí)乘上一個(gè)不大于1的系數(shù)來(lái)處理,從而可以模擬不規(guī)則的形狀邊界。利用上述方法得到的計(jì)算結(jié)果如下:由圖6

10、可以看出,此時(shí)外噴口還處于被靜觸頭阻塞的狀態(tài),是一個(gè)流動(dòng)的死區(qū),流速為零,在內(nèi)噴口中流體在上游區(qū)被加速,在喉部區(qū)域馬赫數(shù)達(dá)到0.47,在下游噴口截面的擴(kuò)張區(qū)域馬赫數(shù)迅速降低到0.28。在60%開(kāi)距時(shí)噴口中馬赫數(shù)的變化以及壓力、密度狀態(tài)圖如圖7、8、9所示。y表示徑向方向,z表示軸向方向,不同的顏色表示不同的數(shù)值,由于滅弧室內(nèi)氣流場(chǎng)是關(guān)于軸對(duì)稱(chēng)的,所以圖形取關(guān)于軸對(duì)稱(chēng)的氣流場(chǎng)的一半。由圖7可以看出,流體在外噴口的上游區(qū)被加速,馬赫數(shù)在喉部處達(dá)到了最大值0.42,同時(shí)由于靜觸頭還有阻塞作用,流動(dòng)截面變小,在此之前的區(qū)域流體被加速,此后的區(qū)域氣流的馬赫數(shù)迅速降低到0.16;在內(nèi)噴口喉部區(qū)域的馬赫數(shù)為

11、0.57,下游區(qū)降到0.38。同時(shí),由于在內(nèi)外噴口之間有氣流向相反方向吹拂,減弱了氣吹作用,所以,在這個(gè)位置氣流馬赫數(shù)較低。由圖8、9可以看出壓力與密度的變化趨勢(shì)是一致的,隨著噴口截面積的減小,壓力與密度逐漸減小,在噴口喉部處達(dá)到最小值,之后又開(kāi)始上升,最后下游區(qū)的大部分都恢復(fù)為最初的狀態(tài)。這種狀態(tài)與上面的流速相對(duì)應(yīng),可以得到噴口中流體狀態(tài)參數(shù)的變化總是與流速的變化相反。而且觸頭的堵塞引起噴口中流動(dòng)參數(shù)的變化。可以看出,上面的計(jì)算結(jié)果是符合滅弧室內(nèi)噴口氣流場(chǎng)的變化原理的,說(shuō)明利用本文提出的方法進(jìn)行計(jì)算是可行的,為了定量說(shuō)明本文的方法合理正確,本文在相同的條件下利用另外一種常用的幾何建模方法¾¾貼體坐標(biāo)法計(jì)算了自能式斷路器噴口內(nèi)氣流場(chǎng)的情況9,并把在不同開(kāi)距下噴口內(nèi)馬赫數(shù)的分布情況做了比較,如圖10所示。圖10是n y=30的內(nèi)外噴口中馬赫數(shù)的分布(n y為y方向上的剖分網(wǎng)格數(shù),橫坐標(biāo)表示開(kāi)距,縱坐標(biāo)表示馬赫數(shù),橫坐標(biāo)中的零點(diǎn)表示內(nèi)外噴口之間的中心位置,曲線(xiàn)1、3分別表示利用貼體坐標(biāo)法得到的在開(kāi)距為20%和噴口完全打開(kāi)后噴口內(nèi)的馬赫數(shù)分布,曲線(xiàn)2、4分別表示利用本文方法得到的在開(kāi)距為20%和噴口完全打開(kāi)后噴口內(nèi)的馬赫數(shù)分布。從圖中可以看到,兩種方法得到的結(jié)果非常接近,所以從數(shù)值計(jì)算上來(lái)看本文提出的方法也是可行的。5 結(jié)論由計(jì)算結(jié)果可以看出,利用區(qū)