液态金属(GaInSn)限流器的数值模拟

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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