开距对不同状态下真空电弧特性影响的仿真分析

仿真分析了开距对真空开关中不同状态下真空电弧特性的影响。对于小电流扩散态真空电弧,随着开距增大,电弧的扩散程度增大,离子温度、电子温度和等离子体压力增大;对于超音速收缩态真空电弧,随着开距的增大,电弧的收缩程度增大,离子温度、电子温度和等离子体压力增大,阳极轴向电流密度和能流密度的分布更不均匀;对于离子处于亚音速状态的大电流真空电弧,随着开距的增大,极间等离子体的损失增多。对于3种不同状态的真空电弧而言,随着开距的增大,电弧电压和注入阳极的能流密度都增大。同时,可以发现,建模与仿真是理解真空电弧微观过程的一种有效方法。     

大电流真空电弧开断过程瞬态特性仿真分析

针对开断过程中传统稳态模型无法表征真空电弧动态特性问题,以工频电流下开断峰值为10 kA大电流真空电弧为研究对象,搭建等离子体弧柱区二维物理模型,在已有双温磁流体动力学稳态模型中引入密度、温度、压力及速度等流场参数时变项,同时利用动网格技术控制弧柱区变化速率,模拟触头分闸过程,综合考虑电流及开距变化情况下等离子体各物理场参数变化,以获取开断时电弧微观流场瞬态特性,探究开断过程中电弧形态及能量变化。分析结果可知：离子压力、温度、电子温度和阳极表面能流密度均随动、静触头分离而减小;离子速度无明显变化;等离子体不断向外扩散,由于电流减小,金属蒸汽源也逐渐减少,极间等离子体密度降低,阳极尚未达到活跃程度,最终电弧熄灭。     

大电流真空电弧阳极熔蚀过程的热力学仿真研究

在大电流真空电弧开断过程中,阳极现象对于能否成功开断具有重要影响。当电弧电流超过阈值时,阳极表面温度将超过材料熔点,从而在阳极局部形成熔池。阳极熔池中的液态金属蒸发出的金属蒸汽及喷溅出的液滴将极大的提高弧后击穿的概率,并可能造成开断失败。该文建立了大电流真空燃弧过程中阳极熔池的流体流动和传热模型,着重研究真空大电流电弧对于阳极表面的熔蚀、变形以及相应的温度分布的变化。模型考虑了从电弧等离子体到阳极表面的传热以及表面材料在热流作用下的相变过程,将磁流体仿真结果获得的热流密度和压力分布作为阳极熔池流动和传热的仿真的边界条件,并采用有限体积法仿真获得阳极表面破坏过程以及温度分布的变化规律。仿真结果给出了不同电流下的温度分布和由电弧引起的阳极表面破坏情况,发现考虑熔池中液态金属流动和变形的仿真模型所获得的表面温度分布更加均匀,解释了实验中触头表面温度的均匀分布现象,证明液态金属的流动是影响温度分布的重要因素。所获得模型更为准确地描述了大电流真空电弧作用下的阳极现象,为评估真空断路器的开断能力提供了理论依据。     

电弧电流以及纵向磁场对小电流真空电弧特性影响的数值仿真

建立了小电流真空电弧的双温度磁流体动力学模型,根据该模型首先对小电流真空电弧的基本特性进行了仿真研究,分析了不同电弧电流和不同纵向磁场强度对小电流真空电弧特性的影响。仿真结果表明,电弧电流和纵向磁场对小电流真空电弧特性的影响是明显的,仿真结果与实验结果基本吻合,尤其是离子温度的仿真结果与实验更加接近。另外,仿真结果还表明,对于小电流真空电弧而言,随着纵向磁场的增大,电子温度逐渐增大,变化趋势与实验结果一致。     

纵向磁场和外部横向磁场共同作用下真空电弧偏移与阳极偏烧现象的仿真研究

在真空开关的开断过程中,外部母线和导电杆所形成的"U"型回路会在极间电弧区域产生横向磁场(transverse magnetic field,TMF)。横向磁场的存在会影响真空开关的开断性能,通过仿真对这一影响进行了初步的探索。基于真空电弧二维磁流体动力学模型及阳极熔化凝固模型,大电流真空电弧(high current vacuum arc,HCVA)在TMF和电极系统自生纵向磁场共同作用下的电弧参数分布及阳极温度分布得到了揭示。仿真结果中,HCVA在TMF的影响下会产生明显的偏移,并且各项参数都有所变化;阳极温度分布也会产生同样的偏移,最终使得阳极熔化也发生偏移。这些变化会对真空开关的开断产生不利影响,特别是离子密度的增大使得电流过零时极间残留等离子体增多,降低开关的开断性能。     

轴向磁场对焊接电弧作用的数值模拟研究

采用耦合阴极模型模拟轴向磁场对焊接电弧的作用,分析了轴向磁场对焊接电弧位形的作用机制。计算结果显示,随轴向磁场增加:阴极弧根收缩;阴极附近等离子体温度升高,高温核心径向增大,弧柱收缩程度增加;阳极附近弧柱径向张开,中心温度降低;阳极表面电流密度和压力分布呈环状结构;阳极加热面增大,极值温度降低,出现温度平顶;电弧对阳极的传热量增加。分析认为,轴向磁场与电弧径向电流间的Lorentz力作用使近阳极区电弧旋转流动,产生磁抽吸作用,使阴极弧根和近阴极弧柱收缩,而阴极弧根收缩增强了阴极射流,并且抑制近阳极区电弧扩张。     

纵向磁场对真空电弧微观特性影响的研究

纵向磁场作用下真空电弧等离子体的微观参数变化趋势对于真空电弧的发展和能量变化有着重要的意义。文中基于气体动力学的漂移扩散方程,耦合电场计算的泊松方程,仿真分析了真空电弧在液态金属桥断裂之后,极间充满了大量的Cu金属蒸气后,到电弧等离子形成的这段非平衡态过程。考虑了真空电弧等离子体中微观电子、离子与金属蒸气分子间的碰撞、重组及粒子的漂移、扩散等复杂变化情况,建立了纵向磁场影响下非平衡态真空电弧的微观模型。数值模拟并分析了不同磁场强度对电弧等离子区微观参数的影响及变化规律。仿真结果表明:随着纵向磁场的增大,阴极与阳极鞘层的电场强度减小,有利于电弧熄灭;同时电极过程减弱,电子和铜离子的数密度均减小,阳极表面的电子温度分布均匀且减小,有利于抑制真空电弧能量的提高。     

空心阳极等离子体阴极提取电子束的实验分析

低气压下真空电弧放电产生高电子密度的等离子体,从等离子体中能提取电子束。为了研究一种新型空心阳极-等离子体阴极结构的放电机理,在相同电压和阴阳极间隙下,对新型结构与两平板电极结构进行电弧放电实验,通过测量阴极电压、放电回路电流以及收集极电流来比较两者的特点。结果表明:前者的阴极电位波形在放电开始之后明显低于两平板电极的阴极电位波形,存在明显的电位下垂现象;同时收集极电流在放电回路电流不大时呈现出只有负半波情况。从真空电弧放电机理具体分析解释了收集极电流呈半波的原因,同时采用等效电路模型和等效电位函数对阴极电位下垂做了详细的分析,认为是阳极附近聚集大量电子,因此有未被补偿的负空间电荷,形成电位梯度较大的阻极电位降,电弧等离子体近似为电中性,导致阴极电位下降。     

纵磁作用下真空电弧的建模与仿真研究进展

纵向磁场是当前真空电弧的一种重要控制方式,数值仿真由于其高效性和经济性而成为一种研究真空电弧内部物理机制的重要方法。文中对纵磁作用下真空电弧的建模仿真研究现状进行了回顾,从早期的真空电弧模型入手,到后来的二维磁流体动力学模型,再到实际纵磁触头条件下真空电弧的三维磁流体动力学模型,以及在三维模型的基础上考虑了阳极蒸汽的作用,进一步对目前真空电弧建模仿真的存在问题进行了剖析,认为当前真空电弧模型对真空开关实际拉弧的动态过程考虑不全面,认为全局磁场也就是磁场空间分布对真空电弧特性产生显著影响。展望了真空电弧建模仿真研究的未来发展方向,未来真空电弧的建模与仿真将向更完善的方向发展,包括真空电弧和阴极斑点、阳极活动之间的相互作用,未来也将会向三维瞬态以及多组分的方向发展。     

基于ANSYS的空气电弧放电等离子体温度数值模拟

吸入一氧化氮(NO)疗法因其具有疗效快、非创伤性及高选择性等优点,在临床救治新生儿急性肺损伤和持续肺动脉高压等相关疾病方面逐步得到广泛应用.电弧放电是产生NO的一种新方法.因此,研究控制空气电弧放电合成NO的等离子体参数,对实现电弧放电合成医用NO在临床上的应用具有重要意义.本文根据磁流体动力学理论,建立了脉冲电弧放电等离子体轴对称数学模型,运用ANSYS软件,对电弧放电等离子体温度场分布和电流密度进行了数值模拟.结果表明,当电流增大时,阳极附近温度增大,阳极电流密度增大;当弧长增加时,阳极附近温度增大,阳极表面电流密度增大,阴极电流密度略变小.温度的升高,有利于NO的合成及抑制NO2的生成.     

不同纵向磁场对大电流真空电弧中阳极活动影响的仿真研究

纵向磁场对阳极活动的控制效果对于大电流真空电弧成功开断十分关键。采用建模仿真的方法,分析不同纵向磁场强度对阳极活动的影响。基于大电流真空电弧模型,仿真得到不同纵向磁场强度下输入阳极的能流密度分布,并以此作为阳极活动模型的边界条件,得到不同磁场强度下的阳极熔化、蒸发情况。仿真结果表明:对于工频电流(50 Hz)电弧,阳极温度的最大值出现7 ms时刻附近;随着纵向磁场的增大,阳极表面温度、饱和蒸汽压、阳极蒸汽流量都相应减小;随着纵向磁场的增大,熔化半径增大,但是熔化深度减小,改善了阳极的烧蚀情况。     

Metal Vapor Behavior in GTA Welding of a Stainless Steel Considering the Marangoni Effect

A gas tungsten arc in helium was modeled taking into account the contamination of the plasma by metal vapor from the weld pool. The whole region of gas tungsten arc atmosphere including the tungsten cathode, arc plasma and weld pool was treated using a unified numerical model. The anode was of a low sulfur stainless steel or a high sulfur stainless steel. A viscosity approximation was used to express the diffusion coefficient in terms of viscosity of shielding gas and metal vapor. The transient two-dimensional distributions of the temperature, velocity of plasma flow and iron vapor concentration were predicted, together with the weld penetration at the atmospheric pressure. The distribution of the iron vapor is obviously different between the case of a low sulfur stainless steel anode and the case of a high sulfur stainless steel anode. © 2009 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

直流接触器触头电弧侵蚀特性

触头开断过程中会产生电弧,从而导致触头表面被侵蚀,影响其电接触性能。由于直流供电系统不存在自然过零点,致使直流接触器触头受电弧侵蚀影响比交流接触器更加严重。为了研究电弧对触头的侵蚀作用,基于磁流体动力学理论,考虑电弧与触头之间的能量耦合,建立电弧-触头动态耦合模型,研究了电流等级和分断速度对触头电弧侵蚀特性的影响。仿真结果表明：近阳极区电弧温度高于近阴极区电弧温度;电流等级由20 A提高到30 A时,电弧温度和燃弧时间显著提高,燃弧能量增加75.93%,使得触头侵蚀更加严重;触头分断速度由0.1 m/s增加到0.2 m/s时,电压电流的变化率提高,燃弧时间和熔池体积减小,燃弧能量减少47.83%,电弧对触头的侵蚀作用降低。实验结果与仿真相吻合,验证了仿真模型的正确性。     

纵磁下真空电弧阳极热过程的仿真

建立了纵磁下真空电弧阳极热过程的二维瞬态轴对称模型,并对极限开断条件下不同能流密度作用下纯铜电极的阳极热过程进行了仿真分析.通过仿真获得了阳极温度沿径向、轴向的变化过程.仿真结果表明,随着能流密度的增大,阳极温度逐渐增大,但由于温升导致蒸发作用增强,温度的增幅减弱;阳极温度最大值并没有出现在能流密度峰值时刻,而是有所滞...     

Generation of Anode Spot in Low‐Current DC Vacuum Arcs by the Effect of Embedded Magnet in the Anode

Experiments were conducted with the aim of keeping low‐current DC vacuum arcs stable. A permanent columnar magnet was embedded in the anode and a permanent disk‐shaped magnet was arranged behind the anode. As result, the arc plasma is strongly constricted to a column and a light emitting point appeared on the anode surface. Generation of the anode spot was confirmed by detecting anode metal vapor and ions using mass and spectroscopic analyses under low‐current arcs of less than 20 A. Copyright © 2008 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

基于多物理场耦合模型的车用PEMFC仿真研究

运用COMSOL软件建立了基于多物理场耦合模型的燃料电池仿真模型。基于多物理场耦合模型分析了燃料电池内部的流场和压力分布情况。研究了阳极和阴极内反应气体的浓度变化情况。分析了膜电极(MEA)内电流分布与反应气体浓度的关系。研究了燃料电池内部温度场和热流的分布情况。通过仿真研究加深了对燃料电池各个物理过程的理解,为优化燃料电池设计提供了参考。     

Near-cathode phenomena in HID lamps

A brief review is given of the present understanding of cathode phenomena in arc discharges. A model of a near-cathode plasma region of high-pressure arcs with hot cathodes is described. Possible ways of integration of the model into numerical codes describing a lamp on the whole are discussed. An approach is suggested allowing one to estimate the upper limit of the cathode temperature and the lower limit of the temperature inside a cathode spot without detailed calculations of a temperature distribution inside the cathode. Solutions describing a diffuse and spot modes of current transfer to a thin thermionic cathode are presented and found to compare favorably with available experimental data     

两间隙毛细管等离子体发生器出口参数研究

消融放电毛细管等离子体发生器产生的等离子体射流具有高密和相对低温的特性,在许多科学研究和工业应用领域都具有潜在的应用前景。为此,利用数值模拟的方法考察了在1 kJ放电能量水平下两间隙毛细管的长度和半径、主放电电容器组的电容和起始充电电压等放电参数对毛细管出口参数的影响。研究表明,各放电参数的改变都能引起出口处的质量密度、压强的大幅度改变,而出口温度和出口速度相对保持稳定。其中,主放电电容器组充电电压、电容值增大、毛细管半径变小时,所有的出口参数都相应增大;而毛细管长度增大时,密度和压强随之增大,温度和速度反而减小。     

低压断路器中空气电弧运动的仿真及实验研究

以磁流体动力学(MHD)为基础建立了三维空气电弧等离子体在外部磁场作用下运动时的数学模型。考虑到阴极和阳极各自的特点,提出了更加合理的电流分布边界条件;采用一种与电弧等离子体自身电导率密切相关的方法确定电弧的弧根位置。利用基于有限容积法的商业软件对上述模型进行求解,并利用高速数字摄像机进行了相关的实验,对仿真结果进行验证,充分证明模型的有效性,揭示了空气电弧在外部磁场作用下,在低压断路器的灭弧室中的运动规律,并指出压力波在灭弧室中的传播和反射是产生这种运动规律的原因。此外,对阴极喷流所形成的双漩涡和电弧等离子体后部的“尾巴”这2种物理现象进行了详细的描述。