自能式断路器灭弧室气流场计算的一种新思路

1、自能式断路器灭弧室气流场计算的一种新思路自能式断路器灭弧室气流场计算的一种新思路 摘摘 要要：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

2、气流场的计算提供了一种新思路。 关键词关键词：自能式断路器；区域扩充法；计算流体力学软件；气流场计算 1 1 引言引言 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

3、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

4、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 SF6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

5、的计算结果。2 2 灭弧室喷口气流场数学模型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； 为密度；P为气压；T 为温度；Gp 、 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； 为修正系数。3 3 计算方法简介计算方法简介 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 的流量密度。dx，dy 及 dz

6、为控制容积长、宽、高，J 在x 方向的分量 Jx是进入面 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。 S为源项，代表着所有不能归入名义上的扩散项的因子或项；为相对应 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 可以代表各种不同的物理量，如 T,Vz,Vr,K, 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

7、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 P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 103

8、0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当通用的变量 P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 4 计算结果与分析计算结果与分析 自能式 SF6断路器灭弧室结构示意图如图 2 所示。 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 0.5

9、MPa，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。 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

10、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边界。 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

11、图形取关于轴对称的气流场的一半。 由图 7 可以看出，流体在外喷口的上游区被加速，马赫数在喉部处达到了最大值 0.42，同时由于静触头还有阻塞作用，流动截面变小，在此之前的区域流体被加速，此后的区域气流的马赫数迅速降低到 0.16；在内喷口喉部区域的马赫数为 0.57，下游区降到 0.38。同时，由于在内外喷口之间有气流向相反方向吹拂，减弱了气吹作用，所以，在这个位置气流马赫数较低。由图 8、9 可以看出压力与密度的变化趋势是一致的，随着喷口截面积的减小，压力与密度逐渐减小，在喷口喉部处达到最小值，之后又开始上升，最后下游区的大部分都恢复为最初的状态。这种状态与上面的流速相对应，可以得到喷口中

12、流体状态参数的变化总是与流速的变化相反。而且触头的堵塞引起喷口中流动参数的变化。 可以看出，上面的计算结果是符合灭弧室内喷口气流场的变化原理的，说明利用本文提出的方法进行计算是可行的，为了定量说明本文的方法合理正确，本文在相同的条件下利用另外一种常用的几何建模方法贴体坐标法计算了自能式断路器喷口内气流场的情况9，并把在不同开距下喷口内马赫数的分布情况做了比较，如图 10 所示。图 10 是ny=30 的内外喷口中马赫数的分布（ny为y方向上的剖分网格数），横坐标表示开距，纵坐标表示马赫数，横坐标中的零点表示内外喷口之间的中心位置，曲线 1、3 分别表示利用贴体坐标法得到的在开距为 20%和喷口

13、完全打开后喷口内的马赫数分布，曲线 2、4 分别表示利用本文方法得到的在开距为 20%和喷口完全打开后喷口内的马赫数分布。 从图中可以看到，两种方法得到的结果非常接近，所以从数值计算上来看本文提出的方法也是可行的。5 5 结论结论 由计算结果可以看出，利用区域扩充法与 PHOENICS 流体力学计算软件以及自编程相结合可以对高压断路器灭弧室内的气流场进行计算。目前虽然有较多的流体计算软件出现，但是这些流体力学软件在几何建模方面或者过于复杂或者人机对话困难，本文所提供的方法对此种情况可以提供一个较好的几何建模解决方案，并且将其应用到自能式断路器灭弧室喷口气流场计算中得到了比较好的结果，为自能式断

14、路器灭弧室气流场计算提供了新的研究方式。参考文献参考文献1 英国 CHAM 公司（CHAM Company in U.K.）流场计算的软件（A commercial software for fluid field computation）CP/DK，英国，19812 林莘现代高压电器技术M北京：机械工业出版社，20023 王其平，胡万平，刘亚芳SF6 与其混合气体中的电弧动态特性和应用M西安：西安交通大学出版社，19964 帕坦卡著传热与流体流动的数值计算M1984张政译北京：科学出版社5 曹云东，王尔智，姜毅（Cao Yundong，Wang Erzhi，Jiang Yi）高压 SF6断路

15、器变差减小方法流场求解研究（Investigation on flow field computing of high voltage SF6 circuit breaker using the total variation diminishing scheme）J中国电机工程学报（Proceedings of the CSEE），2001，21(11)：19-236 林莘，连建华（Lin Xin，Lian Jianhua）大容量 SF6压气式断路器灭弧室中瞬态热气流场的数值模拟（Numerical simulation of transient thermal gas flow field

16、 in the arc-quenching chamber of high capacity gas circuit breaker）J电工技术学报（Transaction of China Electrotechnical Society），1999，14(5)：44-477 钟建英，张英，林莘（Zhong Jianying，Zhang Ying，Lin Xin）压气式高压断路器灭弧室气流场数值分析计算（Numerical analyses of gas flow in the arc-quenching chamber of blasing-gas high voltage circuit breaker）J沈阳高等电力专科学校学报（Journal of ShenYang Electric Power Institute），2001，3(4)：9-128 张俊民，杨涌，王其平（Zhang Junmin，Yang Yong，Wang Qiping）高压 SF6自能式断路器及其数值分析技术（High voltage SF6 auto-expansion circuit b