多重网格法在SF6高压断路器电场与气流场数值计算中应用的研究

论文摘要

SF6高压断路器的介质恢复特性是衡量断路器开断特性的重要依据,介质恢复特性的数值模拟涉及到断路器液压操动机构的输出特性的数值计算,灭弧室电场与气流场的数值计算。本论文研究工作的重点是多重网格法在SF6断路器电场和气流场数值计算中的应用与研究。电场数值计算方面为了易于将多重网格法用于电场和气流场的数值计算,并且使复杂结构的场域的边界得到良好的拟合,研究了分域贴体网格生成技术,分别在物理平面（原场域）上生成分域贴体网格,在规则计算平面上生成分域矩形网格,使电场和气流场的数值计算都在计算平面上进行。通过坐标变换,推导出计算平面上描述电场分布的数学模型,并将其离散成有限差分格式,将多重网格法与离散格式相结合,给出了一种有限差分+多重网格法的电场数值计算法。考虑到有限分析法在矩形网格上具有计算精度高的优点,本论文在对传统的有限分析法进行了改进的基础上,为提高数值计算的收敛速度,将多重网格法与改进后的有限分析法相结合,给出了一种有限分析+多重网格法的电场数值计算方法。流场数值计算方面通过数学推导,建立了在计算平面上描述非定常、可压缩粘性流体的控制方程及其有限体积法离散格式,并与多重网格法计算格式相结合,给出了对非定常、可压缩粘性流体进行数值模拟的有限体积+多重网格法的流场数值计算法。为解决非定常、可压缩流动的控制方程中速度-压力梯度耦合问题在数值求解时的难题,采用了交错网格技术和线分步迭代法对离散方程求解,克服了速度-压力梯度耦合问题的计算难点。应用所开发的计算方法,以550kV SF6高压断路器灭弧室的气流场为实例,在260mm开距的全开断过程,以1mm为计算步长,对吹弧气体的流动进行了数值模拟,并将数值模拟结果与用国际商用软件FLUENT的计算结果相比较,证明本文所给出的数值计算方法是正确的。在上述研究成果的基础上,对550kV SF6高压断路器空载开断和短路开断的介质恢复特性进行了数值模拟。本论文给出的对SF6断路器的介质恢复特性进行数值模拟的方法是可行的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 断路器的国内外发展概况
• 1.2 电场数值计算方法的发展状况
• 1.3 气流场计算方法的发展状况
• 1.4 多重网格方法的研究背景及发展状况
• 1.5 课题研究的背景
• 1.6 论文的主要工作内容
• 第二章 贴体网格生成法的研究
• 2.1 椭圆型微分方程法生成贴体网格
• 2.1.1 椭圆型微分方程网格生成法的原理
• 2.1.2 剖分实例
• 2.2 分区网格生成
• 2.2.1 组合对接网格技术
• 2.2.2 剖分实例
• 2.3 本章小结
• 第三章 断路器灭弧室内电场问题计算方法的研究
• 3.1 数学模型
• 3.2 电场计算的多重网格法
• 3.2.1 多重网格法的收敛性
• 3.2.2 多重网格法的格式
• 3.2.3 非线性方程的全近似格式
• 3.2.4 多重网格法的循环准则
• 3.2.5 计算实例
• 3.3 混合有限分析法
• 3.3.1 一维混合有限分析法
• 3.3.2 二维混合有限分析法
• 3.3.3 计算实例
• 3.4 本章小结
• 6高压断路器灭弧室内气流场计算的有限体积+多重网格法'>第四章 SF₆高压断路器灭弧室内气流场计算的有限体积+多重网格法
• 4.1 断路器气流场的控制方程
• 4.2 计算平面上气流场控制方程的离散
• 4.2.1 变开距网格处理
• 4.2.2 有限体积法的基本思想及特点
• 4.2.3 交错网格技术
• 4.2.4 基于有限体积法的控制方程离散
• 4.3 数值计算
• 4.3.1 边界条件处理
• 4.3.2 计算平面上控制方程的多重网格算法
• 4.3.3 数值迭代计算
• 4.3.4 软件实现
• 4.4 数值计算实例
• 4.5 空载开断介质恢复特性的数值模拟
• 4.5.1 空载开断的意义
• 4.5.2 介质恢复特性计算
• 4.6 本章小结
• 6高压断路器短路开断下介质恢复特性的数值模拟'>第五章 SF₆高压断路器短路开断下介质恢复特性的数值模拟
• 5.1 电弧的能量流模型
• 5.2 温度场与气流场仿真
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢