第1章绪论
1973年,FCT算法首次由Boris和Book在《计算物理》上发表。该文首次提出了“通量限制”一词,并推出了意义深远的单调流体无震荡输运算法,它被公认为FCT算法的思想，该算法提出后,经过许多学者的修正和改进,进而逐渐形成成熟的FCT算法,并被广泛应用于数学以及物理数值计算领域。1979年,Zalesak将FCT算法应用到多维场求解中,这是FCT算法发展道路上的一座里程碑。1986年,Parrott和Morrow首次在FCT算法的应用中采用了三节点三角形单元,对于非规则网格的FCT算法应用做出了巨大贡献[32]。FCT也被广泛应用于科学计算学科研究,取得了很多成果。截至2004年,由美国科学技术研究所(ISI)提供的数据库资料显示,Boris和Book发表的首篇FCT算法研究论文总共被引用了621次,其中近十年被引用了296次。考虑到距论文首次发表才18年就取得如此成绩,足以说明FCT算法在学术界所造成的巨大影响。Boris和Book提出FCT方法是为了求解计算流体力学中流体波前阵面的浓度陆梯度问题。而气体放电流注理论的提出,使得气体放电过程可以通过粒子流连续性方程而看成是流体的对流-扩散过程,并使FCT方法称为气体放电问题的一种求解手段。在气体放电的流注发展过程中,由于电子的运动速度远大于正、负离子,会导致正负电荷的分离,并聚集在电子崩的头尾部,造成空间电场的畸变,加速气体电离,导致放电过程的快速发展,最终使得气体间隙被击穿。上文中所提到的气体放电的流体动力学模型正是被用来描述这一微观粒子运动过程。但由于传统的数值算法处理这一模型中电子崩头部和尾部的超高梯度电场和粒子浓度非常困难,所以该模型的求解一直没有很好的解决办法,但FCT算法的出现,使得该模型的求解成为可能。1982年Morrow和Lowke首次将FCT方法应用到气体放电领域分析放电过程中的空间电荷运动对场强的影响[35.37]。1986年,Morrow采用有限差分法结合FCT方法对一维气体流注放电模型进行了求解之后20年中,FCT方法逐渐发展成为进行气体放电仿真的重要手段之一。FCT算法的具体过程是在已知t时刻节点浓度和速度的条件下,采取不同的差分格式求出下一时间步长A/的一个低阶通量和一个高阶通量,再对其进行插值处理得出一个反扩散通量来对结果进行修正,从而避免因截断误差所造成的数值震荡和色散问题。
目前,国际上对于SF6/N2混合气体的放电机理的研究开展的?多。特别是对于放电过程中流注的产生机制以及发展进程方面的研究报道很少。本课题将对SF6/N2混合气体放电问题进行专题研究。研究将采用親合描述放电过程中正、负离子以及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仿真不同SF6含量的混合气体介质间隙的流注放电过程,并采用有限元和通量修正法(FCT)对其进行进行求解。在流体力学中,用数学语言将流体运动过程中各种物理量遵循的物质守恒定律表达出来,即可得到流体连续性方程。而流注放电过程中大量粒子流的对流和扩散运动可以看做是流体的运动,因此也可以用连续性方程来描述流注放电过程。连续性方程与蒙特卡洛(Monte Carlo)方法相比,由于一次可以处理大量的粒子,其计算时间大大减少[2"]。1987年Morrow采用一维流体模型对空气短间隙中的流注放电过程进行了仿真,随后该方法逐渐成为研究气体放电机制的一种重要手段。
2000年Metaxas与Morrow合作完成了空气间隙流注放电过程的二维流体模型的仿真。2002年美国宾夕法尼亚大学大学Pfeiffer与Tong等人对采用一维流体模型对SFg/Nz混合气体中的流注放电过程进行了模拟,并研究了光电离与光发射对流注产生与发展的影响。由于不同气体中的放电机制存在非常大的区别,而且电力绝缘设备的绝缘设计要求对SF6气体以及SF6/N2混合气体的放电机制进行更深入的研究,本文拟对不同SF6含量的SF6/N2混合气体流注放电过程进行二维流体动力学仿真。研究对于揭示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GIS绝缘设计水平等方面都具有重要的科学意义。
第3章理论模型和算法实现……………………..18
3.1流注放电的流体动力学模型………………18
3.2电场计算………………19
3.3 FCT 算法………………25
3.4本章小结………………26
第4章光电离对流注放电的影响分析………………28
4.1光电离模型………………28
4.2流注数值仿真中光电离模型的优化………………28
4.3光电离影响的讨论………………30
4.4本章小结………………31
第5章流注放电过程仿真结果分析………………32
5.1纯SF6气体流注发展情况………………32
5.2混合气体(50% SF6-50% N2)流注发展情况………………34
5.3混合气体(10% SF6-90% N2)流注发展情况………………32
结论
(1)结果表明:初始电子会受电场力影响向正极移动,途中产生电子崩,并电离出正、负离子和新的电子,新产生的带电粒子也会不断发生附着、结合、扩散等过程;在电子崩向正极移动过程中,由于粒子的运动方向和速度各不相同(电子速度远快于正、负离子),正、负电荷将会出现分离,因此电子崩的头、尾处将出现电场畸变,加速流注放电的发展。
(2)流注发展过程进行的模拟表明:随着放电的进行,电子崩会演变成由负极向正极发展的正向流注。而且在不同SF6浓度的混合气体中正向流注推进的同时,都形成了负向流注。最后形成贯穿电极的狭长流注放电通道。
(3)通过对相同条件下10%-90%SF6/N2、50%-50°/。SF6/N2和SF6气体的流注发展情况进行比较和分析,发现并就模拟结果作了分析和比较气体击穿模拟结果的分析,发现混合气体中SF6的含量越高,越不容易被击穿。这是由于SF6的电负性强,在SF6浓度较高的气体中,自由电子更容易被吸附,不利于电子崩和流注的发展,因此气体的绝缘性能也比较优越。综合实验结果和经济实用观点出发,认为50%SF6-50%N21体在某些方面取代纯SF6气体,较其他混合比更有前途和价值。
(4)通过对有、无光电离参与时50%SF6-50%N2混合气体气体流注放电仿真结果的比较和分析,发现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。
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