发布时间：2018-08-23

文章标题：青年基金“大电流真空电弧作用下阳极熔坑热力学特性研究”在基金委结题交流会获评优秀结题

内容：

      本项目考虑了真空电弧弧对阳极的能量和动量输运过程及阳极鞘层的影响，提出了大电流真空电弧压力与热流共同作用下的阳极熔坑形成机理，难点是阐明阳极鞘层和蒸发对于阳极传热的影响机理及建立动态熔化区域中液态金属运动模型。采用了磁流体动力学仿真、粒子仿真及level-set方法等对触头表面熔坑形成过程进行了模拟，解决了考虑自由界面的多相流的阳极液态金属流动建模、强电场作用下的阳极表面变形仿真等关键问题，并探讨了触头表面液态金属流动对阳极表面温度分布、液滴形成及真空灭弧室开断能力等的影响。最后建立开关电弧等离子诊断平台，采用等离子体诊断手段对上述理论研究结果进行验证。

      本项目所获得的主要成果包括：1、建立了阳极鞘层模型，阐明阳极鞘层和蒸发在真空电弧大电流条件下对于阳极传热和传动量的影响机理，并分别针对热传递和动量传递给出理论公式；2、提出了大电流真空电弧压力与热流共同作用下的阳极熔坑形成机理，建立了动态熔化区域中液态金属运动模型，解决了考虑自由界面的多相流的阳极液态金属流动建模、强电场作用下的阳极表面变形仿真等关键问题，并探讨了触头表面液态金属流动对阳极表面温度分布、液滴形成及真空灭弧室开断能力等的影响；3、建立了弧后触头表面形变模型，获得了液态金属表面在电场作用下形成泰勒锥的动态过程，同时得到泰勒锥形成与温度、初始形状的等因素的关系，提出了泰勒锥现象导致真空断路器弧后延迟击穿的作用机理；4、采用高速摄影、吸收光谱等实验诊断手段，针对在不同电弧模式下的金属蒸气密度的空间分布、触头表面温度、表面形貌、微观结构等进行了一系列的研究，验证理论计算结果的准确性。本项目的研究内容将有助于进一步深入认识真空放电机理，为提高真空开关的开断能力以及小型化提供理论支撑。该理论研究成果已成功应用于8种规格的真空灭弧室及断路器的设计，并获得显著经济效益。

      项目研究期间共发表 SCI/EI 论文16篇，其中 SCI 论文 6 篇，均为本领域最具国际影响力期刊；申请并获得发明专利 3 项；针对本研究课题研究内容，在第四届电力设备及开关技术国际会议（ICEPE-ST）做特邀报告；所直接指导的博士生，两人次获国际会议的青年奖；相关成果获得 2015 年教育部高校科研成果一等奖。