基于磁流体力学模型的稳态真空电弧建模与计算

论文摘要

真空电弧的物理过程复杂,学界针对电弧的不同放电阶段、放电区域,提出了多种描述电弧的模型。本文选择真空电弧的双磁流体动力学模型,完成了对真空电弧的物理建模,实现了物理模型的求解,并对真空电弧的物理特性以及影响因素进行了研究。论文根据真空电弧的特性建立了双磁流体方程组。论文把电弧当成离子与电子组合的双流体,在流体的动量方程加上洛伦兹力和电子压力梯度的作用,在能量方程中加入粒子碰撞、焦耳加热以及热辐射带来的能量交换,其中电弧的辐射能量用净辐射系数表示;再将方程组与磁传输方程和麦克斯韦方程组耦合。文章假定流体为定常流动并指定了阴极边界条件、阳极边界条件和流体壁边界条件。论文根据真空电弧的双磁流体物理模型,提出了方程组的求解方法。基于FLUENT软件,本文将真空电弧方程组离散化,修正了FLUENT自带求解器的动量方程、能量方程。指出了电子的能量方程和磁传输方程的离散方法,其他相关变量如电流密度、电子速度用待求解变量显式表达。论文基于格林高斯定理,利用中心插值和一阶迎风格式提出了变量的散度或变量在特定方向上偏导的计算方法,这样的方法相比一般的二阶迎风格式更加简便。论文计算了真空电弧的参数分布情况并研究了电弧电流、电极间距对真空电弧物理特性的影响。计算结果表明,在超音速电弧中,电弧离子压强、密度、离子温度在阴极达到最大值,离子速度在阴极表面达到最小值,由于电子辐射能量与其他能量基本抵消,电子温度不发生变化;在亚音速电弧中,密度、速度和电子温度的最大值在电极中轴线上取得,电弧的压强、马赫数、离子温度在阴极表面达到最大值,从阴极到阳极电子温度有先增后减的趋势,阳极表面轴向电流有向电极中间收缩的现象。计算结果表明亚音速电弧的密度达到1021m-3量级,离子压强约为8000Pa,速度约为0.52.35马赫,大部分离子温度范围在2.024.5eV范围内,电子温度在22.75eV范围内;现有文献中,同样情况下电弧压强为3000Pa7000Pa,离子速度为0.61.4马赫,离子温度3.23.8eV,电子温度3.33.7eV。本文的计算结果与现有文献结果数值上相差不大,并且具有相似的分布规律。并且电弧电流越大,电弧的收缩趋势更明显;电极间距越大,电弧收缩越明显。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 真空电弧理论
•     1.1.1 真空电弧的产生
•     1.1.2 真空电弧的燃弧
•     1.1.3 真空电弧的熄弧
•   1.2 真空电弧磁流体数值仿真研究现状
•     1.2.1 国内研究现状
•     1.2.2 国外研究现状
•   1.3 主要研究内容
• 2 真空电弧的磁流体力学模型
•   2.1 磁流体方程组
•     2.1.1 质量以及动量方程
•     2.1.2 能量方程
•     2.1.3 电磁方程
•   2.2 边界条件
•     2.2.1 阴极边界
•     2.2.2 阳极边界
•     2.2.3 流体壁边界
•   2.3 真空电弧的流体场描述
•   2.4 本章小结
• 3 真空电弧模型的计算方法
•   3.1 FLUENT软件介绍
•   3.2 真空电弧物理模型建立
•     3.2.1 基于FLUENT的二次开发
•     3.2.2 动量方程的修正
•     3.2.3 能量方程的修正
•     3.2.4 自定义方程的离散化
•   3.3 MHD模型的求解方法
•   3.4 本章小结
• 4 稳态真空电弧模型计算结果及分析
•   4.1 计算实例的建立
•   4.2 真空电弧参数的分布
•     4.2.1 真空电弧的流体场参数分布情况
•     4.2.2 真空电弧的电磁场参数分布情况
•   4.3 电弧通流量对电弧参数分布的影响
•   4.4 电极间距对电弧参数分布的影响
•   4.5 本章小结
• 5 总结与展望
•   5.1 全文总结
•   5.2 展望
• 致谢
• 参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 向凌峰

导师: 戴玲

关键词: 真空电弧,磁流体动力学,超音速电弧,亚音速电弧,仿真

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 力学,电力工业

单位: 华中科技大学

分类号: TM501.2;O361.3

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.000733

总页数: 76

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