考虑栅片烧蚀金属蒸气的栅片切割空气电弧仿真与实验研究  

Numerical and experimental study of air arc splitting process considering splitter plate erosion

作　　者：杨飞[1] 荣命哲[1] 吴翊[1] 史强[1] 刘增超[1] 马瑞光[1] 陈胜[1] 

机构地区：[1]西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室,电气工程学院,西安710049

出　　处：《物理学报》2011年第5期496-504,共9页Acta Physica Sinica

基　　金：国家自然科学基金(批准号:50907047);国家高技术研究发展计划“863项目”(批准号:2009AA04Z105)资助的课题~~

摘　　要：基于磁流体动力学理论(MHD)建立了考虑栅片烧蚀金属蒸气的三维空气电弧模型,对模型灭弧室内的的电弧跑动及切割过程进行了数值仿真与实验研究.在传统的质量,动量,能量守恒方程中引入了金属蒸气浓度方程耦合求解用于描述灭弧室内金属蒸气的对流与扩散.在计算中考虑了金属蒸气对于电弧等离子体热力学参数和输运参数的影响.通过计算获得了电弧运动及切割过程的电弧电压,温度分布,金属蒸气浓度分布,灭弧室内流场变化等,分析了由于金属蒸气存在引起的电弧等离子体电导率的变化在切割过程中对于电弧行为的影响.为了验证仿真模型的有效性,进行了相应的实验研究.将高速摄影仪拍摄的电弧动态过程与电弧电压的测量结果与仿真结果进行了对比,测试结果证明了仿真模型的有效性.本文在阴阳极交界处采用了不同的处理方法,在计算中体现出了的阴阳极弧根不同的运动速度,与实验结果相一致.研究表明栅片烧蚀金属蒸气会增加电弧弧根及弧根运动前方区域的电导率,这会引起栅片阴极弧根的形成领先于另一侧的阳极弧根;切割后栅片中的电流会对栅片两侧弧根运动在前面的短弧产生加速作用,而对另外一段则会制约其向前运动.A three-dimensional magnetohydrodynamic model of an air arc plasma,considering the metal vapour from erosion of an iron splitter plate,is developed.An equation describing conservation of the iron vapour mass is added to the standard mass,momentum,and energy conservation equations.The influence of the iron vapour on the thermodynamic and transport properties of the gas mixture is considered in the calculation.The arc voltage,and distributions of temperature,gas flow,and mass fraction of iron vapour in the arc chamber are calculated and analyzed in detail.The experiment was carried out to support the simulation work.The images recorded by a high-speed camera and arc voltage measurement were compared with the predictions of the simulations,which proved the validity of the simulation model.

关 键 词：金属蒸气 空气电弧 仿真分析 电弧切割 

分 类 号：O361.3[理学—流体力学] TM501.2[理学—力学]