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强电流真空磁流体电弧模型的仿真研究

作　者: 谢如旭
导　师: 孙鹏
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 电机与电器
关键词: 强电流真空电弧磁流体动力学模型仿真软件二次开发
分类号: TM501.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

真空电弧特性是影响真空开关性能的最关键因素之一。由于真空电弧的复杂性，目前对真空电弧的物理过程及其特性的认识尚不完善，虽然通过相关实验可以测得真空电弧的部分参数及其特性，然而仅凭实验研究尚不足以全面揭示真空电弧的内部物理过程。因此，综合考虑电弧等离子体的输运特性及其相关因素的影响，建立能够描述真空电弧模型并利用计算机仿真技术实现对其的仿真研究，是对真空电弧进行深入研究的一种有效辅助手段。本文在分析和总结现有真空电弧模型基础上，结合不同状态下真空电弧特性，建立了相应的真空电弧磁流体动力学（MHD）仿真模型。对于开断强电流时的真空电弧而言，真空电弧等离子体处于亚音速状态，根据流体动力学理论，对阴极侧和阳极侧的边界条件进行了必要的设定，阴极侧给出滞止压力、滞止温度和来流方向，阳极侧给出临界压力，并且在数学模型中考虑了离子和电子的动能以及离子粘性的影响，以使模型仿真更加接近实际的电弧物理过程。对于所建立的真空电弧磁流体仿真模型，本文采用FLUENT仿真软件，并利用VC++对其进行二次开发，对仿真模型中的流体方程和电磁以及电子能量方程进行了耦合求解，从而实现了对真空电弧磁流体动力学模型的仿真研究。仿真结果表明，强电流真空电弧等离子体的压力、密度、速度及马赫数的分布不均匀，在阴极附近等离子体的压力和密度最高，但等离子体速度和马赫数却较低。通过对不同电弧电流和电极开距条件下的真空电弧的仿真研究表明，随着电弧电流的增大，电弧收缩趋势更加明显，电子温度和等离子体压力随电弧电流的增大而增大，而离子温度的变化却不是很明显；随着触头开距增大，轴线上的电流密度、电子温度和等离子体压力都随之增大，电弧收缩趋势更加明显,但其对离子温度的影响不是非常明显。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-10
第一章绪论  10-20
  1.1 课题研究的背景和意义  10
  1.2 真空电弧理论的发展与现状  10-14
    1.2.1 阴极斑点  11-13
    1.2.2 阳极区域  13-14
    1.2.3 极间等离子体  14
  1.3 真空电弧的建模仿真研究  14-19
    1.3.1 早期仿真模型概述  14-15
    1.3.2 多阴极斑点射流模型  15-16
    1.3.3 磁流体动力学（MHD）模型  16-19
    1.3.4 存在的问题  19
  1.4 本文的主要工作  19-20
第二章强电流真空电弧等离子体的磁流体动力学模型  20-33
  2.1 概述  20
  2.2 物理模型  20-22
  2.3 数学模型  22-28
  2.4 边界条件  28-29
    2.4.1 阴极侧的边界条件  28
    2.4.2 阳极侧的边界条件  28-29
    2.4.3 自由边界条件  29
  2.5 模型的求解  29-32
  2.6 本章小结  32-33
第三章亚音速等离子体真空电弧的仿真方法  33-39
  3.1 概述  33
  3.2 FLUENT 软件介绍  33
  3.3 控制体积法  33-34
  3.4 求解思路  34-35
  3.5 方程的求解  35-38
  3.6 本章小结  38-39
第四章离子处于亚音速状态的真空电弧仿真  39-50
  4.1 概述  39
  4.2 强电流真空电弧的特性  39-40
  4.3 仿真结果与分析  40-48
    4.3.1 离子处于亚音速状态真空电弧基本特性  40-43
    4.3.2 电弧电流对亚音速电弧特性的影响  43-45
    4.3.3 触头开距对亚音速电弧特性的影响  45-48
  4.4 本章小结  48-50
第五章总结  50-51
参考文献  51-55
在学研究成果  55-56
致谢  56

强电流真空磁流体电弧模型的仿真研究

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