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26414字硕士毕业论文气体绝缘短间隙流放电过程的计算机模拟

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:26414字
论点:流注,放电,气体
论文概述:

流注放电过程中光电离会导致流注头、尾部区域电子以及正、负离子的数量大大增加,从而造成场强畸变,对电子崩或者流注的发展起加速作用,使气体间隙更容易被击穿。

论文正文:

第一章引言

1973年,FCT算法首次由鲍里斯和计算物理书籍出版。本文首次提出了“流量限制”这一术语,并介绍了一种意义深远的单调流体无振荡输运算法。这被认为是FCT算法的思想。该算法提出后,经过许多学者的修正和改进,逐渐形成了成熟的FCT算法,广泛应用于数学和物理数值计算领域。扎勒萨克在1979年将FCT算法应用于多维场解,这是FCT算法发展的里程碑。1986年,帕洛特和莫罗首次在FCT算法的应用中使用了三节点三角形单元,为FCT算法在不规则网格李政颖。确定SF6/二氧化碳预放电参数的激光脉冲方法。物理学杂志,1984,33(11):1529-1537上的应用做出了巨大贡献。FCT也被广泛用于科学计算研究,并取得了许多成果。截至2004年,美国科学技术研究所(ISI)提供的数据库数据显示,鲍里斯和布克(Boris and Book)发表的第一篇FCT算法研究论文共被引用621次,在过去十年中被引用296次。考虑到自论文首次发表仅18年,这一成就足以说明FCT算法在学术界的巨大影响。鲍里斯和布克提出了FCT方法来解决计算流体动力学中流体波前的浓度梯度问题。然而,气体排放流理论的引入使得气体排放过程通过粒子流连续性方程被视为流体的对流扩散过程,FCT方法被称为气体排放问题的解决方案。在气体放电流光发展过程中,由于电子运动速度比正负离子快得多,正负电荷会在电子雪崩的头部和尾部分离和集中,造成空之间的电场畸变,加速气体电离,导致放电过程快速发展,最终导致气隙击穿。上述气体放电的流体动力学模型被精确地用来描述这种微观粒子运动过程。然而,由于传统的数值算法很难处理该模型中电子雪崩头部和尾部的超高梯度电场和粒子浓度,因此该模型一直没有很好的解,但FCT算法使得该模型的求解成为可能。1982年莫罗和洛克首次将FCT方法应用于气体放电领域,以分析放电[期间空之间电荷运动对场强的影响。1986年,莫罗用有限差分法和FCT法求解一维气体流注放电模型。20年来,FCT方法逐渐发展成为气体放电模拟的重要方法之一。FCT算法的具体过程是在时间T的节点浓度和速度已知的情况下,采用不同的差分格式找到下一个时间步长A/的低阶通量和高阶通量,然后插值得到反扩散通量来修正结果,从而避免截断误差引起的数值振荡和色散问题。

目前,国际上已经对SF6/N2混合气体的排放机理进行了研究?更多。特别是,很少有关于放电过程中流光产生和发展的机理的报道。本课题将对SF6/N2混合气体排放进行专项研究。本研究采用描述放电过程中正负离子和电子运动的粒子连续性方程和描述电场分布的泊松方程的二维流体动力学模型来模拟不同SF6含量混合气体介质间隙的流光放电过程,并采用有限元法和通量修正法(FCT)进行求解。在流体力学中,流体连续性方程可以用数学语言来表达流体运动过程中物质守恒定律和各种物理量。然而,流光放电过程中大量粒子流的对流和扩散可以视为流体的运动,因此流光放电过程也可以用连续性方程来描述。与蒙特卡罗方法相比,连续性方程可以一次处理大量粒子,其计算时间大大减少了[2】。莫罗在1987年用一维流体模型模拟了空短气隙流光放电过程,这种方法逐渐成为研究气体放电机理的重要手段。

2000年,梅塔克萨斯和莫罗合作完成了空气隙流光放电过程的二维流体模型模拟。2002年,宾夕法尼亚大学的Pfeiffer和Tong等人利用一维流体模型模拟了SFg/Nz混合气体中流光放电过程,研究了光离子化和光发射对流光产生和发展的影响。由于不同气体的放电机理差异很大,电力绝缘设备的绝缘设计需要对SF6气体和SF6/N2混合气体的放电机理进行更深入的研究,本文拟对SF6含量不同的SF6/N2混合气体流光放电过程进行二维流体力学模拟。该研究对揭示SF6/N2混合气体放电规律,补充和完善经典气体放电理论,进一步提高地理信息系统绝缘设计水平具有重要的科学意义。

第三章理论模型和算法的实现18

3.1拖缆放电的流体动力学模型18

3.2电场的计算19

3.3 FCT算法………… 25

3.4本章总结26

第四章光电离对流动放电的影响分析28

4.1光电离模型28

4.2流式数值模拟中光电离模型的优化28

4.3光电离效应的讨论30

4.4本章概述31

第五章流量过程模拟结果分析

5.1纯SF6气流的开发32

5.2混合气体(50% SF6-50% N2)流动的开发

5.3混合气体(10% SF6-90% N2)流动的开发

结论

(1)结果表明,初始电子在电场力的影响下会向正电极移动,电子在此过程中会崩溃,电离正离子、负离子和新电子,新产生的带电粒子也会经历附着、结合、扩散等过程。在电子雪崩向正电极移动的过程中,由于粒子的运动方向和速度不同(电子速度比正负离子快得多),正负电荷会分离,因此电场畸变会发生在电子雪崩的头部和尾部,加速流光放电的发展。

(2)流光发展过程的模拟表明,随着放电的进行,电子雪崩将从负向正发展为正流光。此外,当正拖缆被推入具有不同SF6浓度的混合气体中时,会形成负拖缆。最后,形成穿过电极的窄流光放电通道。

(3)通过在相同条件下比较10%-90%的SF6/N2和50%-50%。对比分析SF6/N2和SF6气拖的发展,发现混合气体中SF6含量越高,分解的可能性越小。这是因为SF6的电负性很强。在SF6浓度高的气体中,自由电子更容易被吸收,不利于电子雪崩和流光的发展。因此,气体的绝缘性能也是优越的。基于实验结果和经济实用的观点,认为50%SF6-50%N21在某些方面将取代纯SF6气,比其他混合比具有更大的前景和价值。

(4)通过比较和分析50%SF6-50%N2混合气体流光放电有无光离子化的模拟结果,发现光离子化会导致流光放电过程中流光头和尾区的电子、正离子和负离子数量大幅增加,从而导致场强畸变,加速电子雪崩或流光的发展,使气隙更容易被击穿。

参考

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[2]朱德恒,阎章。高压绝缘[。清华大学出版社,1992: 19-34

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[8]雷瑟。气体中的电子雪崩和击穿[。巴特沃斯出版社1964: 15-22

[9]维哈尔特·HFA。绝缘气体中的雪崩[[]。荷兰:埃因霍温理工大学,1982年

[10]富兰克林·恩,斯内尔·J .《电子气体中碰撞正柱的流体模型:从分离主导到重组主导的转变》[。物理学杂志:应用物理学,2000,33(16): 2019-2024