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高压SF_6断路器场域数值模拟

作　者: 朱传运
导　师: 刘晓明
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 电机与电器
关键词: SF6断路器 有限元法 电场 有限体积法 气流场 介质恢复特性
分类号: TM561.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 36次
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内容摘要


绝缘与开断特性作为考核高压SF6断路器性能的重要指标,是电、磁、热、机、材料等多种因素共同作用且相互影响的结果。基于高精度、高效率的数值仿真计算,获得开断过程中高压SF6断路器灭弧室内电参数和气流参数时间与空间上的分布,对其产品性能研究具有重要意义。针对高压SF6断路器灭弧室内多重介质复杂结构电场问题,以推进波前法为基础,通过改进节点与单元的生成模式,采用与分域剖分相结合的手段,给出一种二维非结构三角单元生成算法。并以252kV高压SF6断路器灭弧室内电场为求解对象,基于有限元法对电场数学模型进行离散求解及自编程程序设计,得到了随开距变化的电场分布。针对高压SF6断路器灭弧室内非定常、可压缩气流场问题,基于微分方程数值解方法生成曲边四边形网格,采用Jameson中心格式+人工粘性的有限体积法对气流场控制Navier-Stokes (N-S)方程进行空间离散,采用四步Runge-Kutta法进行时间推进求解。为解决灭弧室断口区域气流参数随开断过程动态变化的问题,引进区域分解与变开距网格处理技术,以252kV高压SF6断路器灭弧室内冷态气流场为研究对象进行气流场自编程程序设计,得到了变化的气流参数(如速度、密度、压力及马赫数)的场分布。针对介质恢复特性计算的复杂性,将用于气流场计算的四边形结构网格转换成用于电场求解的三角形网格,使介质恢复特性计算中的电参数与气流参数来自同一节点,从而避免了插值计算所带来的误差,提高了计算精度。通过开发QuickWin应用程序,采用计算机图形可视化手段,将数值计算前处理、数值求解过程以及后处理中相关物理参数进行实时输出,形成了集高压SF6断路器灭弧室区域的网格自动生成、电场和气流场求解以及介质恢复特性计算的软件包。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-18
  1.1 课题研究背景  10-11
  1.2 高压SF_6断路器的国内外发展状况与趋势  11-14
  1.3 高压SF_6断路器灭弧室内场域数值模拟发展状况  14-16
    1.3.1 电场数值计算方法的发展  14-15
    1.3.2 气流场数值计算方法的发展  15-16
  1.4 论文的主要研究工作  16-18
第二章 高压SF_6断路器灭弧室内电场数值模拟与分析  18-30
  2.1 基于推进波前法非结构网格生成  18-21
    2.1.1 节点与单元生成模式  18-19
    2.1.2 推进波前点的选取  19-20
    2.1.3 波前相交判断  20-21
    2.1.4 剖分实例  21
  2.2 基于有限元法的高压SF_6断路器灭弧室内电场数值分析  21-29
    2.2.1 电场数学模型建立  22
    2.2.2 电场计算模型与边界条件  22-24
    2.2.3 电场数值计算结果与分析  24-28
    2.2.4 触头运动形式对电场的影响分析  28-29
  2.3 本章小结  29-30
第三章 基于Jameson中心格式的断路器灭弧内气流场控制方程  30-47
  3.1 基于微分方程数值解的贴体网格生成  31-33
    3.1.1 映射关系  31
    3.1.2 椭圆型网格生成原理  31-33
  3.2 高压SF_6断路器气流场控制方程的数值计算  33-43
    3.2.1 高压SF_6断路器气流场控制方程  33-36
    3.2.2 Jameson中心有限体积格式  36-38
    3.2.3 人工粘性  38-39
    3.2.4 粘性通量的离散  39-40
    3.2.5 显式时间推进—Runge-Kutta方法  40-41
    3.2.6 定解条件  41-43
  3.3 数值算法性能分析  43-46
    3.3.1 算例一:二维前向台阶激波反射  43-44
    3.3.2 算例二:NACA0012对称机翼  44-46
  3.4 本章小结  46-47
第四章 高压SF_6断路器灭弧室内冷态气流场数值模拟与分析  47-64
  4.1 灭弧室内气流场计算模型  47-48
  4.2 变开距滑移网格处理  48-49
  4.3 气流场计算条件  49
  4.4 气流场计算结果与分析  49-60
    4.4.1 气流马赫数变化  50-54
    4.4.2 气流压力与密度变化  54-60
  4.5 高压SF_6断路器冷气流开断下介质恢复特性数值模拟  60-63
    4.5.1 电场与气流场网格处理  60-61
    4.5.2 介质恢复特性计算  61-62
    4.5.3 252kV高压SF_6断路器空载开断下介质恢复特性  62-63
  4.6 本章小结  63-64
第五章 全文总结  64-66
参考文献  66-69
在学研究成果  69-70
致谢  70

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电器 > 开关电器、断路器 > 断路器 > 六氟化硫断路器
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