开题报告.例文

本科生毕业设计（论文）开题报告 论文题目：  真空电弧磁流体数值仿真研究  学    院：          专业班级： 学生姓名：                学    号：                导师姓名：                  开题时间：  年    月    日 1.课题的背景及意义 1.1 课题研究背景、目的及意义 电弧是气体放电的一种，真空电弧实际上是真空环境中由于电极烧蚀而产生的金属蒸汽电弧。真空电弧已经被广泛应用于真空灭弧室、真空镀膜以及脉冲功率技术等领域，其建模与仿真研究是对真空电弧进行深入研究的一种重要手段，受到众多专家学者的重视。到目前为止，已经有一些研究者对真空电弧进行了建模和仿真。由于真空电弧本身的复杂性，真空电弧的建模与仿真研究是十分困难。当前的仿真结果中大量的微观参数只能借助于发射光谱、激光诱导荧光或者激光干涉等方法得到的结果才能得到验证。而真空电弧的建模与仿真是深入理解真空电弧内部机理的一种重要手段，它可以得到实验难以得到的微观参数。当前的真空电弧仿真可以分析电弧电流、不同开距和不同纵磁分布对真空电弧特性的影响，进一步指导实际的电极设计。但是，当前模型还有很多方面需要改进，如当前仿真中电极材料为铜，而实际的灭弧室中电极材料大多为合金材料，这可以在以后的模型中进一步考虑。另外，在当前的模型中仅将阴极区域和阳极鞘层区域作为计算弧柱等离子体参数的边界，而实际的物理F过程中阴极区域、阳极区域和弧柱区域可能会相互作用，这也将是以后真空电弧建模需要解决的重要问题。目前关于电流零区的仿真研究较少，模型一般也较为简化，还需要进一步研究这方面的仿真，对于深入理解真空电弧，提高真空开关开断能力也是十分重要的。由于SF6产生温室效应，真空开关由中压等级向更高电压等级方向发展成为一种趋势。所以对真空电弧的研究可以将真空开关从中压等级发展到更高的电压等级。随着电压等级的提高,真空灭弧室绝缘结构的合理设计很重要，真空灭弧室的绝缘结构对其耐压性能有很大的影响，在对其分析研究时会涉及真空电弧的特性及影响真空电弧的因素。 1.2国内外研究现状及趋势 目前国外已经有一些研究者对真空电弧进行了建模和仿真，最为典型的是Boxman模型[1]，Keidar 和Beilis 模型[2]，Schade 和Shmelev[3]模型。其中，Boxman 将流体和电磁方程分别考虑，Keidar 和Beilis 的模型没有考虑能量守恒方程，Schade 和Shmelev 的模型虽然考虑了能量方程，但考虑不是很全面。国内的研究者也对真空电弧进行过建模，如尚文凯[8]，王毅[9]等，但是所建模型都是在假定一个参数不变的条件下，求另外一个参数，求解过程中的考虑不全面。王立军等研究者在Schade 模型的基础上考虑了离子动能和粘性的影响，对真空电弧进行了全面的磁流体动力学建模[6-7]，并对3 种不同状态下的真空电弧分别进行了建模和仿真[4-7]。另外，我国的许多研究者对真空灭弧室中的纵向磁场分布进行了有限元分析[10-11]，另外，还有一些研究者对高压真空灭弧室进行了电场计算与分析[12-13]。 国内对真空电弧的研究很多，但对真空电弧磁流体的仿真与研究较少，真空电弧可分为三种状态，小电流下的真空电弧电弧，呈扩散态，且阴极斑点仅占整个阴极表面的很小一部分。随着电弧电流的增大，阴极斑点会逐渐充满整个阴极，电弧形态发展为收缩态，但真空电弧中离子仍处于超音速流动状态；而随着电弧电流的进一步增大，离子的流动会从超音速状态转变为亚音速状态，此时真空电弧呈收缩态，即亚音速状态下的大电流真空电弧。在纵多研究中大致可分为对大电流真空电弧的仿真与研究和小电流真空电弧的仿真与研究。国内的王立军等研究者对以上两种情况进行了研究。对于小电流真空电弧，研究了电弧电流以及纵向磁场对小电流真空电弧特性的影响。首先，建立小电流真空电弧的双温度磁流体动力学模型，根据该模型首先对小电流真空电弧的基本特性进行了仿真研究，分析了不同电弧电流和不同纵向磁场强度对小电流真空电弧特性的影响。通过仿真得出，电弧电流和纵向磁场对小电流真空电弧特性的影响是明显的，仿真结果与实验结果基本吻合。同时，王立军等人对大电流真空电弧也进行了研究，主要研究是，以真空电弧双温度磁流体动力学模型为基础，通过计算流体动力学软件FLUENT，采用控制容积法，对大电流真空电弧特性进行了仿真研究。大电流真空电弧处于亚音速状态，与小电流真空电弧有明显的区别，仿真结果也同时发现大电流真空电弧与超音速流动的真空电弧明显的区别。研究首先建立了真空电弧双温度模型，通过物理模型与假设建立数学模型，得到真空电弧双温度磁流 体动力学模型的分量形式，求解过程中还对边界条件进行了约束，通过求解得出的数值，得出仿真结果，并对结果进行分析。小电流真空电弧明显区别于大电流真空电弧：首先，小电流真空电弧的形态为扩散态，大电流真空电弧呈收缩态，这种特点得到了大量的实验验证；另外，小电流真空电弧仅占阴极面积的很小一部分，而且随着电弧电流的增大，阴极斑点所占面积也逐渐增大，大电流真空电弧基本上充满整个阴极；小电流真空电弧中离子的流动处于超音速状态，而大 电流真空电弧中离子的流动处于亚音速状态。图 1 是小电流与大电流真空电弧形态的对比，图中上侧为阳极，下侧为阴极，实验中采用了商用的杯状纵磁触头。从图中可以看出，小电流真空电弧呈扩散态，而大电流真空电弧呈收缩态。由图1可知小电流真空电弧存在两个斑点的混合，而大电流真空电弧中有很多斑点的混合。 （a）小电流真空电弧（250A） （b）大电流真空电弧（20kA） 图1 小电流与大电流真空电弧形态的对比 在真空电弧的研究领域中除了以上论述，还有其他的研究。例如：刘志远等人对多阴极斑点真空电弧 均匀分布时的纵向磁场进行了研究。主要从真空电弧的稳态磁流体动力学方程出发，对多阴极斑点的大电流真空电弧均匀分布时的纵向磁场进行分析。并由此提出了临界半径的概念,临界半径R0是当纵向磁场沿径向均匀分布时电弧也均匀分布的电极半径。先建立数学模型，文中用到的真空电弧磁流体基本方程为动量方程, 麦克斯韦方程和电流连续性方程。其次分析纵向磁场分布对真空电弧的影响，文章从三种不同情况着手，即电极半径大于临界半径、电极半径等于临界半径和电极半径小于临界半径时纵向磁场对真空电弧的影响。最后得出结论。再如，李辛对纵向磁场对电弧带电粒子密度和电压噪声的影响进行了研究。研究主要是在稳态模型和局域热力学平衡的假设下,从动量方程出发,推导了施加纵向磁场后真空电弧带电粒子密度的数学表达式. 在此基础上,分析了纵向磁场对真空电弧带电粒子密度和电弧电压噪声所产生的影响,得知施加纵向磁场之后电弧带电粒子密度增加了而电弧电压噪声减小了,由此抑制了真空电弧由扩散型向集聚型的转变,从而延缓了阳极斑点的生成,提高了真空开关的开断容量.还有，史宗谦等人对真空电弧电压与电弧形态关系的实验研究。论文 可拆卸式真空灭弧室中对平板式电极进行了试验"通过高速电荷耦合器件（CCD）摄像机拍摄的电弧形态照片及示波器记录的电弧电压波形"研究了真空电弧的电弧电压与电弧形态的关系。同时也对杯状纵磁触头进行了实验，以作为对比。实验得出结论1)小电流真空电弧在无纵向磁场时的电弧电噪声的突然升高与电弧在触头侧面的偏烧有直接的关系2)大电流真空电弧的电弧电压平均值和电压 噪声的增大与点状阳极斑点的形成有直接的关系3)大电流真空电弧的电弧电压平均值增大"但电压噪声的明显降低标志着电弧在阳极斑点模式稳定燃烧4)大电流真空电弧处于阳极斑点模式时"如果阳极射流能够到达阴极或与阴极射流接触" 则电弧电压噪声明显低于阳极射流与阴极射流分开时的电压噪声5)纵向磁场可以抑制阴极斑点向触头侧面的运动"可以抑制弧柱的收缩"增大电弧对触头表面的利用率" 在纵向磁场的作用下电弧电压的平均值及其噪声显著减小. 2.毕业设计研究内容及任务对 2.1研究内容 以离子与电子的双流体模型以及麦克斯韦方程为基础，推导得到了真空电弧的二维磁流体动力学（MHD）模型。对 MHD 方程的求解采用计算流体动力学软件FLUENT（控制容积法），差分采用二阶迎风差分。并重点研究电弧电流、电极间距以及不同分布的纵向磁场对真空电弧特性的影响。 2.2设计思想及设计 1.建立真空电弧模型及假定 真空电弧物理模型如图 1 所示。 图 1 物理模型 Fig.1 Physical model 由图 1 可以看出，真空电弧主要由三部分组成，它们分别是：阴极斑点区、等离子区和阳极鞘层区，当电流不是足够大时，电极间的等离子体主要由阴极斑点来提供。所以，等离子体的流动主要由阴极斑点发射出的离子和电子流向阳极，电子和离子是电流的载体。电流的方向由阳极指向阴极。 模型的建立基于下面的假定：①弧柱区的载流等离子体完全电离，极间等离子体中仅包括两种带电粒子，即电子和带电离子，不考虑中性粒子的作用；②等离子体参数在绝大部分范围内，满足下面的近似，rD<