自能式断路器灭弧室气流场计算的一种新思路

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1、自能式断路器灭弧室气流场计算的一种新思路

2、第1内容加载中...能量方程500)this.style.ouseg(this)">式中Vz为轴向速度分量；Vr为径向速度分量；ρ为密度；P为气压；T为温度；Gp、μ、λ分别为定压比热、粘性系数、导热系数；而r、z、t分别为径向坐标、轴向坐标和时间坐标；β为修正系数。3计算方法简介高压断路器在开断的过程中有电弧的产生，所以灭弧室的气流场中涉及到传热的问题。为了充分体现数学模型所表现的能量守恒原理，计算的基础是以单位控制容积为研究对象的。如图1所示，J代表一个典型变量φ的流量密度。dx，dy及dz为控制容积长、宽、高，J在x方向

3、的分量Jx是进入面φ流量密度，在x方向上，控制体流出的净流量为500)this.style.ouseg(this)">∂)dxdydz。同样可以得到y和z方向的相应流量。500)this.style.ouseg(this)">500)this.style.ouseg(this)">Sφ为源项，代表着所有不能归入名义上的扩散项的因子或项；Γφ为相对应φ的扩散系数。式(6)就是本计算的理论基础，称为通用微分方程。方程中的四项分别为非稳定项、对流项、扩散项以及源项。因变量φ可以代表各种不同的物理量，如T,Vz,Vr,K,ε等等。式(1)~(4)都可以写成式(6)

4、的形式。本文中的区域扩充法就是利用此方程的物理意义和特点对灭弧室中喷口内的气流场进行模拟计算。在计算时，把不规则的计算区域扩充为规则的网格，使得规则网格中的某些控制容积不起作用，让起作用的控制容积构成所需要求解的不规则计算区域。所以，在本文中，计算区域包括流体与固体两部分，并以壁的外表面作为边界。在求解时，取流体的粘度作为流体区域内网格点的扩散系数值，而在固体区域内的网格点的扩散值取一个非常大的数。在给处于固体边界上的网格节点赋值时，源项通常是造成迭代发散的原因，所以需要对源项进行处理，以便使边界上的节点取给定的值。而对源项线性化是可以达到收敛解的关键，因此通常源项可

5、以写成下面的形式[4]500)this.style.ouseg(this)">式中SC为与φP有关部分的系数。如果在边界上的一个点已知值为B，则利用下列方式就可以把该已知值赋予该点。即设SC=1030B，则SP=-1030。这里1030表示一个大到足以使方程(6)离散化后的方程中的其他各项可被忽略的数值。则离散化方程就变为500)this.style.ouseg(this)">当通用的变量φP是分别代表Vr,Vz,T时，将式(9)中的B分别取给定的边界值。4计算结果与分析自能式SF6断路器灭弧室结构示意图如图2所示。500)this.style.ouseg(this)

6、">根据上述方法来计算空载情况下自能式SF6高压断路器灭弧室内气流场的情况。在断路器分断操作时，膨胀室内的气体通过喷口流出灭弧室，喷口内流动参数的变化会直接影响到膨胀室内气体状态参数的变化[5-8]，因而喷口内流动参数的变化对于整个灭弧室内的气流场的情况是十分重要的。本文主要对内外喷口内气流场的情况进行分析。灭弧室内气体基压为0.5Mpa，初始温度为300K。场域内各点的气流速度为零。断路器的行程运动曲线如图3所示。500)this.style.ouseg(this)">计算时膨胀室气流入口速度为气缸运动速度,出口背压为初始压力。由于在开断过程中动触头是运动的，所以涉

7、及到移动边界的问题。本文在整个行程的气流场求解过程中，将动触头的运动看成是非常多的小的行程段组成。在每个小的行程段中，可以认为动静触头位置相对静止，同时将上一个行程段的计算结果作为下一行程段的初值，直至动触头运动结束。在图4和图5中详细地说明利用区域扩充法建立的几何模型，图4为灭弧室喷口部分场域剖分示意图，图中用粗的黑实线表示这些区域内的网格点，其扩散值取一个非常大的数使其成为不活动的区域；图5是局部放大的固体区域处理。被颜色填充的部分为固体区域，其中对于不完全为固体区域的规则网格（如图中的网格1、网格2）在编程时乘上一个不大于1的系数来处理，从而可以模拟不规则的形状

8、边界。500)this.style.ouseg(this)">500)this.style.ouseg(this)">利用上述方法得到的计算结果如下：由图6可以看出，此时外喷口还处于被静触头阻塞的状态，是一个流动的死区，流速为零，在内喷口中流体在上游区被加速，在喉部区域马赫数达到0.47，在下游喷口截面的扩张区域马赫数迅速降低到0.28。在60%开距时喷口中马赫数的变化以及压力、密度状态图如图7、8、9所示。y表示径向方向，z表示轴向方向，不同的颜色表示不同的数值，由于灭弧室内气流场是关于轴对称的，所以图形取关于轴对称的气流场的一半。500)this