高壓SF6斷路器介質(zhì)恢復特性的數(shù)值模擬

前言

第1篇 氣體動力學基礎

第1章 氣體動力學基本知識

1.1 流體的主要物理特性

1.1.1 流體的壓縮性

1.1.2 氣體的黏性

1.1.3 氣體的導熱性

1.2 氣體動力學的研究范疇

1.2.1 連續(xù)介質(zhì)假設

1.2.2 完全氣體假設

1.3 氣體的熱力學特性及其關系式

1.3.1 氣體的基本狀態(tài)參數(shù)

1.3.2 氣體的狀態(tài)方程

1.3.3 熱力學第一定律:內(nèi)能、焓和比熱容

1.3.4 熱力學第二定律:熵

1.4 聲速、馬赫數(shù)

1.4.1 微弱擾動傳播過程與傳播速度、聲速

1.4.2 聲速公式

1.4.3 馬赫數(shù)

參考文獻

第2章 氣體的一維定常流動

2.1 氣體一維定常流動的基本方程組

2.1.1 連續(xù)方程

2.1.2 動量方程

2.1.3 能量方程

2.1.4 氣體狀態(tài)方程

2.2 氣體的一維定常等熵流動

2.2.1 一維等熵流動方程組

2.2.2 一維等熵流動的三種特定狀態(tài)

2.2.3 一維等熵氣流參數(shù)的各種常用關系式

2.3 氣流參數(shù)與管道截面積的關系

2.3.1 截面積變化對各氣流參數(shù)的影響

2.3.2 一維等熵流的面積比公式

2.4 氣流流道的性能參數(shù)

2.4.1 噴管的排氣速度

2.4.2 噴管的排氣流量

2.5 噴管的流動特性

2.5.1 收縮噴管

2.5.2 拉伐爾噴管

2.5.3 拉伐爾噴管流動狀態(tài)的計算

2.6 膨脹波、壓縮波與激波——超聲速流中的擾動波

2.6.1 膨脹波

2.6.2 壓縮波

2.6.3 激波的性質(zhì)

2.6.4 正激波的運算

2.6.5 斜激波的運算

參考文獻

第3章 高壓SF6斷路器氣流場數(shù)學模型及其性質(zhì)

3.1 數(shù)學預備知識

3.1.1 物理場

3.1.2 標量場的梯度

3.1.3 矢量場的散度

3.1.4 矢量場的旋度

3.1.5 Hamilton算子

3.2 矢量及指標表達式

3.2.1 自由指標

3.2.2 求和指標

3.2.3 δij符號

3.2.4 εijk符號

3.2.5 矢量及其運算的指標表述

3.3 張量分析初步

3.3.1 坐標變換下的標量與矢量

3.3.2 張量的定義

3.3.3 并矢張量與矢量場梯度

3.3.4 張量運算

3.4 流體力學基本原理

3.4.1 物質(zhì)坐標與空間坐標

3.4.2 流體質(zhì)點的隨體導數(shù)

3.4.3 速度的分解與變形速度張量

3.4.4 流體的渦旋運動

3.4.5 流體內(nèi)部應力的描述

3.5 流體力學的基本方程式

3.5.1 連續(xù)方程

3.5.2 動量方程

3.5.3 能量方程

3.5.4 本構方程

3.5.5 氣體狀態(tài)方程

3.6 歐拉方程

3.7 軸對稱坐標下的N-S方程

3.7.1 連續(xù)方程

3.7.2 動量方程

3.7.3 能量方程

3.8 對流體力學守恒型與非守恒型方程組的討論

3.8.1 N-S方程的守恒形式

3.8.2 N-S方程的非守恒形式

3.9 無量綱形式的N-S方程

3.10 流體力學控制方程組的數(shù)學性質(zhì)

3.10.1 偏微分方程的適定性

3.10.2 初始條件和邊界條件

3.10.3 偏微分方程的分類方法

3.11 湍流方程

3.11.1 湍流流動特性

3.11.2 湍流模型

參考文獻

第2篇 高壓SF6斷路器滅弧室氣流場的數(shù)值計算方法

第4章 有限差分法基本理論及數(shù)學性質(zhì)

4.1 模型方程及其差分近似

4.1.1 模型方程

4.1.2 模型方程的差分近似

4.1.3 顯式差分格式與隱式差分格式

4.2 差分方程的相容性

4.2.1 截斷誤差

4.2.2 相容性的定義

4.2.3 局部截斷誤差

4.3 線性差分格式的Lax定理

4.3.1 數(shù)值計算的收斂性

4.3.2 差分方程穩(wěn)定性要求

4.3.3 相容與穩(wěn)定條件下必然收斂

4.4 差分方程的穩(wěn)定性及分析方法

4.4.1 不穩(wěn)定現(xiàn)象

4.4.2 差分格式的穩(wěn)定性分析

4.5 幾種常用的差分格式及其穩(wěn)定性分析

4.5.1 擴散方程的幾種差分格式

4.5.2 雙曲型方程的幾種差分格式

4.6 離散方程的物理特性

4.6.1 離散方程的守恒性

4.6.2 離散方程的擴散特性和遷移特性

4.6.3 離散方程的假擴散性

4.7 雙曲型方程差分離散近似中的逆風效應與迎風修正

4.7.1 一階迎風格式

4.7.2 二階迎風格式

4.8 數(shù)值耗散與數(shù)值頻散

4.8.1 差分方程的修正方程

4.8.2 數(shù)值耗散與數(shù)值頻散及其判別方法

參考文獻

第5章 高壓SF6斷路器氣流場數(shù)值計算的總變差減小格式

5.1 激波的捕捉

5.1.1 激波擬合法

5.1.2 數(shù)值求解法

5.2 NND格式

5.3 總變差減小格式

5.3.1 總變差及其減小條件

5.3.2 TVD格式的構成

5.3.3 一階精度TVD格式

5.3.4 二階精度TVD格式

5.4 高壓SF6斷路器氣流場數(shù)值計算的總變差減小格式

5.4.1 高壓SF6斷路器氣流場N-S方程組

5.4.2 二維k-ε湍流模型方程

5.4.3 控制方程的有限體積TVD格式離散

5.4.4 邊界層區(qū)域控制方程的離散

5.5 數(shù)值計算實例

5.5.1 SF6斷路器氣流場數(shù)值計算中關鍵問題的處理

5.5.2 無載開斷下滅弧室氣流場的數(shù)值計算

參考文獻

第6章 非定?？蓧嚎s流動數(shù)值計算的流體網(wǎng)格法

6.1 歐拉方程在流體網(wǎng)格法中過渡量的離散格式

6.2 流體網(wǎng)格法的計算步驟

6.3 邊界條件的處理

6.4 激波的處理

6.5 任意多邊形網(wǎng)格的歐拉方程差分格式——流體網(wǎng)格法的推廣

6.5.1 控制方程的積分形式

6.5.2 軸對稱坐標系下歐拉方程組的差分格式

6.6 小容性電流開斷下高壓SF6斷路器滅弧室氣流場的計算實例

6.6.1 數(shù)值計算相關問題的處理

6.6.2 數(shù)值計算實例

6.6.3 不同時刻滅弧室內(nèi)氣流的流速分布

6.6.4 不同時刻滅弧室內(nèi)氣流的等馬赫數(shù)分布

6.6.5 激波的存在

6.7 非定?？蓧嚎s黏性流數(shù)值計算的流體網(wǎng)格兩步法

6.8 黏性氣流流體網(wǎng)格法數(shù)值計算實例

參考文獻

第7章 高壓SF6斷路器氣流場數(shù)值計算的邊界元方法

7.1 無黏流動的控制方程

7.2 控制方程的邊界元法基本解

7.2.1 定常條件下控制方程的基本解

7.2.2 定常條件下能量方程基本解的標準橢圓化

7.2.3 非定常流動條件下控制方程的基本解

7.3 高壓SF6斷路器氣流場數(shù)值計算的虛邊界元法數(shù)學模型的建立

7.3.1 流場問題的方差泛函及場量的虛邊界元方程

7.3.2 虛邊界方程的離散數(shù)學模型

7.4 數(shù)值計算實例

7.4.1 虛邊界元法數(shù)值計算驗證

7.4.2 無載開斷不同行程下滅弧室馬赫數(shù)分布及其分析

參考文獻

第8章 滅弧室氣流場數(shù)值計算的有限體積-多重網(wǎng)格法

8.1 有限體積法的基本概念

8.1.1 有限體積法的通用變量方程

8.1.2 有限體積法的基本思想

8.1.3 網(wǎng)格幾何要素的標記

8.1.4 有限體積法的特點

8.2 一維穩(wěn)態(tài)對流-擴散問題的有限體積法

8.2.1 計算網(wǎng)格的生成

8.2.2 離散方程的建立

8.3 二維對流-擴散問題的有限體積法

8.4 差分格式

8.4.1 網(wǎng)格的Peclet數(shù)

8.4.2 對差分格式的要求

8.4.3 中心差分格式

8.4.4 一階迎風格式

8.4.5 混合差分格式

8.4.6 二階迎風格式

8.4.7 QUICK格式

8.5 工程問題數(shù)值計算的多重網(wǎng)格法

8.5.1 多重網(wǎng)格法概述

8.5.2 多重網(wǎng)格法的收斂性

8.5.3 多重網(wǎng)格法的格式

8.5.4 非線性方程的全近似格式

8.5.5 多重網(wǎng)格法的循環(huán)準則

8.6 貼體網(wǎng)格的生成

8.6.1 貼體網(wǎng)格生成概述

8.6.2 橢圓型微分方程法生成貼體網(wǎng)格

8.6.3 計算平面上的控制方程

8.7 計算平面上控制方程的有限體積法離散

8.7.1 交錯網(wǎng)格技術

8.7.2 應用交錯網(wǎng)格對計算平面上控制方程的有限體積法離散

8.8 離散方程組的求解

8.8.1 三對角矩陣的算法

8.8.2 線分布迭代計算

8.8.3 計算平面上控制方程的多重網(wǎng)格法

8.9 邊界條件的處理

8.9.1 入口邊界條件

8.9.2 出口邊界條件

8.9.3 固壁邊界條件

8.10 數(shù)值計算實例

8.10.1 分域邊界的數(shù)值耦合

8.10.2 滅弧室氣流場數(shù)值計算

參考文獻

第3篇 高壓SF6斷路器介質(zhì)強度恢復特性的數(shù)值模擬

第9章 介質(zhì)強度恢復的基本理論

9.1 介質(zhì)擊穿機理

9.1.1 湯遜理論

9.1.2 流注理論

9.2 實際系統(tǒng)中擊穿電壓的估算

9.2.1 流注理論法

9.2.2 臨界場強法

9.2.3 SF6斷路器中氣體的擊穿判據(jù)

參考文獻

第10章 壓氣式SF6斷路器運動特性的數(shù)值計算

10.1 斷路器液壓操動機構的發(fā)展概況

10.2 液壓操動機構的機構動力學模型

10.2.1 半液壓式操動機構動力學模型

10.2.2 斷路器觸頭行程特性

10.2.3 全液壓式機構動力學模型

10.3 高壓SF6斷路器無載開斷運動特性的數(shù)值計算

10.3.1 無載分閘過程研究的意義

10.3.2 半液壓式SF6斷路器無載開斷運動特性計算

10.3.3 252kV全液壓式SF6斷路器無載開斷運動特性計算

參考文獻

第11章 無載開斷介質(zhì)恢復特性數(shù)值模擬的有限元-流體網(wǎng)格法

11.1 研究無載開斷介質(zhì)恢復特性的意義

11.2 電場數(shù)值計算的有限元法基本原理

11.2.1 電場分布的數(shù)學模型及其等價變分問題

11.2.2 有限元剖分及分片插值與基函數(shù)

11.2.3 252kVSF6斷路器滅弧室電場的有限元法數(shù)值計算

11.3 數(shù)值模擬實例

參考文獻

第12章 無載開斷介質(zhì)恢復特性數(shù)值模擬的有限元-總變差減小方法

12.1 電場的數(shù)值計算

12.1.1 滅弧室場域剖分

12.1.2 550kVSF6斷路器滅弧室電場有限元數(shù)值計算結果與分析

12.1.3 不同噴口結構下滅弧室電場數(shù)值計算與分析

12.2 開斷過程滅弧室氣體壓力和密度的數(shù)值計算

12.3 數(shù)值模擬實例

參考文獻

第13章 無載開斷介質(zhì)恢復特性數(shù)值模擬的虛邊界元法

13.1 軸對稱電場邊界元數(shù)值計算的基本解

13.2 電場數(shù)值計算的虛邊界元法

13.2.1 虛邊界元法的構思

13.2.2 軸對稱場的虛邊界元法數(shù)學模型的建立

13.2.3 電場問題虛邊界元數(shù)學模型的離散

13.2.4 電場數(shù)值計算

13.3 滅弧室壓力場和密度場的虛邊界元法數(shù)值計算

13.4 數(shù)值模擬實例

參考文獻

第14章 無載開斷介質(zhì)恢復特性的有限體積-多重網(wǎng)格法數(shù)值模擬

14.1 電場數(shù)值計算的有限分析-多重網(wǎng)格法

14.1.1 滅弧室分區(qū)貼體網(wǎng)格的生成

14.1.2 數(shù)學模型的坐標變換

14.1.3 550kV單斷口SF6斷路器滅弧室電場數(shù)值計算

14.2 滅弧室壓力場的有限體積-多重網(wǎng)格法數(shù)值計算

14.3 數(shù)值模擬實例

參考文獻

第15章 端子短路開斷介質(zhì)恢復特性的數(shù)值模擬

15.1 電弧模型發(fā)展概況

15.2 圓柱形電弧模型下弧后介質(zhì)強度恢復特性的數(shù)值模擬

15.2.1 電弧數(shù)學模型

15.2.2 輻射項處理

15.2.3 端子短路開斷過程滅弧室氣流場數(shù)值模擬

15.2.4 不同燃弧時間零后滅弧室內(nèi)氣流的密度分布

15.2.5 弧后介質(zhì)強度恢復特性的數(shù)值模擬

15.3 能量流電弧模型下弧后介質(zhì)強度恢復特性的數(shù)值模擬

15.3.1 能量流電弧模型

15.3.2 熱氣流場數(shù)值計算

15.3.3 弧后介質(zhì)強度恢復特性的數(shù)值模擬與分析

15.4 等效電導電弧模型下弧后介質(zhì)恢復特性的數(shù)值模擬

15.4.1 等效電導電弧模型的建立

15.4.2 決定電弧形態(tài)的氣流場與噴口電弧相耦合的數(shù)學模型

15.4.3 耦合數(shù)學模型中相關問題的處理

15.4.4 斷路器短路開斷過程動態(tài)電弧的仿真

15.4.5 弧后介質(zhì)強度恢復特性數(shù)值模擬

參考文獻

第16章 高壓SF6斷路器介質(zhì)恢復特性的耦合數(shù)值模擬

16.1 無載開斷下介質(zhì)恢復特性耦合數(shù)值模擬

16.1.1 數(shù)值模擬的耦合關系

16.1.2 無載開斷介質(zhì)恢復特性的耦合數(shù)值模擬實例

16.2 短路開斷下弧后介質(zhì)恢復特性的耦合數(shù)值模擬

16.2.1 耦合數(shù)值模擬關系

16.2.2 電弧模型及洛倫茲力

16.2.3 滅弧室磁流體動力學方程

16.2.4 短路開斷下弧后介質(zhì)恢復特性耦合數(shù)值模擬實例

16.3 洛倫茲力對氣流參數(shù)分布及介質(zhì)恢復特性的影響

參考文獻

第17章 噴口結構對介質(zhì)恢復特性的影響及噴口優(yōu)化設計

17.1 噴口型面結構對介質(zhì)恢復特性的影響

17.1.1 不同型面結構噴口對電場強度分布的影響

17.1.2 光滑型面結構噴口的滅弧室內(nèi)氣流場的數(shù)值計算

17.1.3 具有局部“放-收”型面結構噴口的滅弧室內(nèi)氣流場的數(shù)值計算

17.1.4 兩種型面結構噴口下滅弧室內(nèi)氣體流速及密度分布的對比分析

17.1.5 兩種型面結構噴口下滅弧室內(nèi)介質(zhì)恢復特性的對比分析

17.2 噴口型面尺寸對介質(zhì)恢復特性的影響

17.2.1 噴口仰角和噴口長度對介質(zhì)恢復特性的影響

17.2.2 兩段式型面結構噴口對介質(zhì)恢復特性的影響

17.3 噴口的氣動優(yōu)化設計

17.4 252kV斷路器兩段式型面噴口優(yōu)化設計

17.4.1 實現(xiàn)噴口優(yōu)化設計的非線性規(guī)劃

17.4.2 通過流場的氣體壓力獲取介質(zhì)恢復特性

17.4.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡和遺傳算法相結合的噴口優(yōu)化設計方法

17.5 550kVSF6斷路器多級“放-收”型面噴口優(yōu)化設計

17.5.1 高壓SF6斷路器噴口中的湍流

17.5.2 考慮湍流影響的550kV斷路器噴口優(yōu)化設計

參考文獻

附錄

《高壓SF₆斷路器介質(zhì)恢復特性的數(shù)值模擬》系統(tǒng)論述了高壓SF₆斷路器介質(zhì)強度恢復特性數(shù)值模擬的理論和方法，全書分為3篇，共17章。第1篇為氣體動力學基本理論，包括：介質(zhì)強度恢復特性所涉及的氣體動力學的基本知識、拉伐爾噴管內(nèi)氣體一維流動所遵循的基本規(guī)律、高壓SF₆斷路器滅弧室氣體流動的控制方程及數(shù)學性質(zhì)。第2篇為高壓SF₆斷路器滅弧室氣流場的數(shù)值計算方法，包括：有限差分法的基本理論及數(shù)學性質(zhì)、氣流場的流體網(wǎng)格數(shù)值計算法、總變差減小格式數(shù)值計算法、邊界元數(shù)值計算法及有限體積‐多重網(wǎng)格數(shù)值計算法。第3篇為高壓SF₆斷路器介質(zhì)強度恢復特性的數(shù)值模擬，包括：介質(zhì)強度恢復的基本理論、壓氣式SF₆斷路器液壓操動機構運動特性的數(shù)值計算、無載開斷介質(zhì)強度恢復特性的數(shù)值模擬方法、端子短路開斷介質(zhì)強度恢復特性的數(shù)值模擬方法、介質(zhì)強度恢復特性的耦合數(shù)值模擬方法，以及噴口結構對介質(zhì)強度恢復特性的影響及噴口優(yōu)化設計。

《高壓SF₆斷路器介質(zhì)恢復特性的數(shù)值模擬》可作為電氣工程相關專業(yè)高年級學生教學參考書和研究生教材，也可供從事高壓SF₆斷路器科學研究、產(chǎn)品設計和制造的人員參考。

油藏數(shù)值模擬方法是迄今為止定量地描述在非均質(zhì)地層中多相流體流動規(guī)律的惟一方法。例如許多常規(guī)方法要假定油層為圓形的均勻介質(zhì)，如油藏幾何形狀稍復雜一些，且為非均質(zhì)介質(zhì)，則求解非常困難，甚至無法求解。而對油氣藏數(shù)值模擬而言，計算形態(tài)復雜的非均質(zhì)油藏和計算簡單形態(tài)的均質(zhì)油藏工作量幾乎是一樣的。因此油藏數(shù)值模擬可解決其它方法不能解決的問題。對于其它方法能解決的問題，用數(shù)值模擬方法可以更快、更省、更方便、更可靠地解決，并增加其它分析方法的可信度。

一個油氣藏，在現(xiàn)實中只能開發(fā)一次。但應用油藏數(shù)值模擬，可以很容易地重復計算不同開發(fā)方式的開發(fā)過程，因此人們可以從中選出最好的開發(fā)方法。

因此，對油藏工程師而言，數(shù)值模擬給動態(tài)分析提供了一種快速、精確的綜合性方法；對管理者而言，數(shù)值模擬提供了不同開采計劃的比較結果；對尚無經(jīng)驗的工程師而言，數(shù)值模擬則是有效的培訓工具。

焊接是一個涉及電弧物理、傳質(zhì)傳熱、力學、冶金與材料學等多物理場耦合的復雜過程，影響因素繁多。隨著計算機科技的快速發(fā)展，焊接數(shù)值模擬技術得到了越來越廣泛的關注和應用。

《焊接過程的數(shù)值模擬》以“理論介紹一數(shù)值模擬實現(xiàn)方法一具體應用案例”為主線，結合通用數(shù)值模擬軟件及實用的算例，對多種常見焊接方法及焊接過程中涉及的熱、力、微組織相變、電弧及溶池流體等諸多物理過程給出了數(shù)值模擬實現(xiàn)方法。

《焊接過程的數(shù)值模擬》理論講解詳細深入，實例內(nèi)容豐富、可操作性強，可作為高等院校焊接技術與工程及其相關專業(yè)本科生及研究生學習焊接數(shù)值模擬技術和相關軟件的教材，也可供廣大焊接工程技術人員學習和參考。