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时间:2019-06-13
《液态金属(GaInSn)限流器的数值模拟》由会员上传分享,免费在线阅读,更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、液态金属(GaInSn)限流器的数值模拟卢学山1,2张敏1王国华2张钧波11南京理工大学动力工程学院,南京(210094)2中石化金陵分公司热电联合车间,南京(210033)摘要:在一种故障电流限制器中,充有镓铟锡(GaInSn)液态金属。利用ANSYS商业软件,采用有限元方法(FEM),对限流器内液态金属(GaInSn)的温度场和流场进行模拟,研究流动在限流器工作原理中起到的作用。和实验结果相比较,得到令人满意的一致结果。关键词:ANSYS液态金属(GaInSn)温度场CFDNumericalSim
2、ulatingtheLiquidMetal(GaInSn)inFaultCurrentLimiterXueshanLU1,2MinZHANG1GuohuaWANG2andJunboZHANG11SchoolofPowerEngineering,NanjingUniversityofScience&Tech.,Nanjing(210094)2SINOPEC.JinLingPetrochemicalCorporationThermalPowerPlant,Nanjing(210033)ABSTRACT:A
3、faultcurrentlimiterwasfilledwiththeliquidmetal(GaInSn).ByusingcommercialsoftwareANSYS,thesimulationmethodoftemperatureandmagneto-fluidfieldsinthefaultcurrentlimiterwaspresentedwiththeFiniteElementMethod(FEM).Discusshowflowsworkinthefaultcurrentlimiter.T
4、heresultsofthestudyingandresearchingcoincidewiththatoftheexperiments.KEYWORDS:ANSYS,liquidmetal(GaInSn),temperaturefields,CFD.引言液态金属故障电流限制器是近年来流行的一种限流器,具有限流效果显著、结构简单和故障后自动恢复等优点。镓-铟-锡(GaInSn)限流器已逐步所可去取代汞(Hg)限流器[1-2]。德国MOELLER公司提出了镓-铟-锡(GaInSn)液态金属限流器的设计理
5、念[2]。图1为限流器模型的剖面和截面图。内部充有空气,目的是减小分断过程中容器内的压力。镓-铟-锡在室温下呈液态。当镓、铟、锡组分的比例为62.5%、21.5%、16%时,熔点为10.7℃[3]。图1限流器模型剖面和截面图本文借助ANSYS软件作为分析工具,对限流器内液态金属(GaInSn)的温度场和流场进行模拟计算、分析,以便达到和实验一致的效果。1温度场数值模拟1.1温度场基本方程因为液态金属GaInSn材料的密度、电阻率、热传导系数随温度变化,所以为非线性热分析,热平衡矩阵方程为:(1.1)其
6、中,为密度;为比热容;为温度;为时间;为热流矢量;为体积单元生热率;;为热量传递速度矢量。由傅立叶定律得到热传导率表达式,(1.2)其中,为热传导率矩阵。由式(1.1)和式(1.2)可得,(1.3)1.2温度场模型及边界条件实物模型不是轴对称结构。为简化计算,在不影响准确度的前提下,取限流器局部区域简化为轴对称。图2为简化后的GaInSn限流器温度场模型,其中=0.003m,=0.005m,=0.006m,=0.004m。图3为温度场计算区域的网格。图2GaInSn限流器温度场分析模型图3温度场计算区
7、域网格绝缘外壁的物性参数为[2]:密度:;热传导系数:;比热容:。GaInSn的物性参数如表1所示[2]:表1GaInSn的物性参数温度293323373423473523573密度6620654064806440640063606280热传导率31353942454749电阻率0.280.2880.3020.3160.330.34380.3584比热容343沸点温度2353在温度场,3ms的热辐射影响很小,因此只考虑热传导和对流换热。热边界条件为:1、在处,周期对称,为绝热边界,属于第二类边界条件,
8、热流量为零;2、在处,轴对称,为绝热边界,属于第二类边界条件,热流量为零;3、在及处,为对流换热边界,属于第三类边界条件,换热系数,环境温度。1.3温度场计算及结果分析ANSYS中的PLANE67单元为热-电耦合单元。求解采用了直接耦合法,同时施加电边界约束和热边界约束。在结果中获取了1.8ms、2.0ms、2.2ms和2.9ms的温度等值线图及通道入口处节点温度–时间曲线,如图4-图8所示。图9为汞限流器2.8ms时的温度等值线图。图4GaInSn限流
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