文档介绍：自能式断路器灭弧室气流场计算的一种新思路
摘  要:自能式断路器灭弧室存在着压气室、膨胀室、喷口、动触头、静触头等复杂结构,而且多为不规则形状,使得要准确地对灭弧室的结构建立几何模型是一件比较困难的事情。而几何建模的准确与否关系到能否生成高质量的网格,网格生成技术又是得到精确结果的关键技术之一。所以,针对复杂的几何形状建模困难的情况,该文采用区域扩充法利用PHOENICS计算流体力学软件与自编程相结合的方式对自能式断路器灭弧室内喷口部分的气流场进行了计算,并与其他计算方法取得的结果做了比较,结果证明文中所尝试的方法是有效可行的,为自能式断路器灭弧室气流场的计算提供了一种新思路。
   
1  引言
       自能式断路器灭弧室结构非常复杂,存在着压气室、膨胀室、喷口、动触头、静触头等,而且多为不规则形状,因而所涉及到的气流场的边界条件比较复杂。所以在做几何建模的过程中,要准确地对灭弧室的结构建立几何模型是一件比较困难的事情。而几何建模的准确与否关系到能否生成高质量的网格。网格生成所需要的人力时间占一个全部计算任务时间的60%左右甚至更长,因此网格生成技术是得到精确结果的关键技术之一。在流场计算中,一般情况下采用几种方法来处理复杂区域内的换热和流动,如阶梯型网格、区域扩充法、三角形网格、贴体坐标、以及坐标组合法等。本文认为区域扩充法是流体力学中采用的最多的一种方法,技术比较成熟,特点简单明了,而其它的方法都需要在网格划分上花费很大的精力,甚至还要进行坐标变换,因此可能要引入较多的计算误差。采用区域扩充法在一定程度上会延长计算机计算时间,增加存储量,但是,与用规则的网格来处理任意几何形状的计算区域所带来的好处相比是可以不考虑这一缺点的。所以在本文中利用区域扩充法或者通俗的说是挖洞法来对灭弧室复杂结构进行模拟生成计算网格,从而对其中的气流场进行计算。
       目前有很多的专门流体计算软件出现,PHOENICS是世界上第一个投放市场的CFD商用软件(1981)[1],由于该软件投放市场较早,所以在工业界得到广泛的应用。例如,空气动力学、电子器件冷却、喷嘴中的流动等等。早期的PHOENICS 在开发时受到基本框架的限制,在人机界面上不很灵活。目前,这个软件虽然在功能与方法上作了较大的改进,但是在建立形状复杂的几何模型的前处理方面仍然有一定的欠缺。另外,自能式断路器的灭弧原理是利用电弧堵塞现象使用电弧自身的能量来熄灭电弧的,所以,对喷口气流场进行分析是一个重要的课题[2],可以为设计出最佳喷口形状提供理论依据。本文率先采用区域扩充法,利用PHOENICS计算流体力学软件与自编程相结合的方式对空载情况下自能式SF
6高压断路器灭弧室内喷口部分的气流场进行了计算,得到了较好的计算结果。
2  灭弧室喷口气流场数学模型
       本文中所用的气流场数学模型是可压缩流体动力学基本方程组[2]。
连续方程
能量方程
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∂)dxdydz。同样可以得到y和z方向的相应流量。
    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)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,因此通常源项可以写成下面的形式
[4]
   
式中SC为与φP有关部