氣體放電理論講稿

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1、Thermalplasmamodelling氣體放電理論作業(yè)姓名：張小福院系：高壓碩1006學(xué)號：M2010711558Thermalplasmamodelling5.3注射微粒和等離子體之間相互作用為等離子體和微粒之間的相對速度，定義如下：在方程中，為阻力系數(shù)，和分別為微粒的軸向和徑向速度分量，為微粒直徑，為微粒密度，g為重力加速度。雖然在噴射中由于很高的等離子體速率重力效應(yīng)可以被忽略，但是在速率較低的等離子體邊緣重力效應(yīng)還是很重要的。由于在粉末周圍的薄層中，溫度梯度很大，流動性不能被假設(shè)成常量。其平均值可以這樣定義：式中T表示等離子體溫度，為粒

2、子溫度，為等離子體特性，如ρ，u、k。粒子的雷諾數(shù)定義如下：對于球形微粒的阻力系數(shù)，其表達(dá)式為：如果微粒不是球形，則可以引入形狀系數(shù)。粒子溫度通過等離子體和微粒之間的能量平衡來確定：8Thermalplasmamodelling為熱傳遞系數(shù)，為微粒的比熱容，、分別為粒子固相輻射系數(shù)和液相輻射系數(shù)，為粒子熔化比例，和分別為微粒的熔化和蒸發(fā)溫度。和為熔化熱和蒸發(fā)潛熱。σs為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)。為環(huán)境溫度。熱傳遞系數(shù)通過努賽爾數(shù)Nu來確定：對于努賽爾數(shù)有一些經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，但是由于實(shí)驗(yàn)數(shù)值的缺失很難確定具體值。Young和Pfender對最常用的表達(dá)式進(jìn)行

3、了一些對比和討論。此處，我們給出這樣一個例子，這一關(guān)系式由Vardelle等人提出，Young和Pfender在氬等離子體中對其進(jìn)行了討論，在溫度高于9000K時，努賽爾數(shù)表達(dá)式為：典型地結(jié)果如圖19所示。在圖19（a）中，能夠明顯的看到，等離子體由于其余微粒的存在而冷卻，微粒大小對他們軌跡的影響如圖19（b，c）所示。8Thermalplasmamodelling圖19（a）氧化鋁微粒的注入對氬等離子體溫度場的影響（最小等溫線為2kK，溫度間隔為2kK，等溫線的溫度單位kK）（b）等離子體溫度場（——）、直徑為50um的氧化鋁微粒的軌跡（……）（

4、c）情況如（b），微粒直徑為25um6．交流大電流切斷6.1.帶有電弧的大電流切斷系統(tǒng)的一般運(yùn)行方式在交流大電流中斷中，有幾種用于使觸頭分離時所產(chǎn)生的電弧迅速熄滅的技術(shù)。這些技術(shù)可分為三類：1、低壓（V<1kV），其一般發(fā)生在空氣中；2、中電壓下的真空切斷（V<32kV，甚至更多）；3、高壓切斷，在現(xiàn)代系統(tǒng)通常使用。真空電弧在第二項(xiàng)技術(shù)中并不會產(chǎn)生熱等離子體，也不會在本文中呈現(xiàn)。其他的技術(shù)都有一些相似之處：由于觸頭的分離產(chǎn)生的熔橋引燃了電弧，并且由瞬態(tài)來決定，這是因?yàn)殡娏魇墙蛔兊亩译娀”仨毐M量的短。然而，他們的利用原則是相當(dāng)不同的，并與主要技術(shù)問

5、題一起，現(xiàn)在要詳細(xì)對待。在低電壓系統(tǒng)，電弧是在一個外殼為有機(jī)材料的小盒里，在兩個觸頭間建立的，它可迅速轉(zhuǎn)移到金屬欄桿，并轉(zhuǎn)移至滅火密室中，在里面它被金屬分流器分裂成幾個小弧。因此，保持這些小電弧的電壓需要維持在比電路中的電壓高的條件下，從而使電弧能較為自然地下落。這一過程的關(guān)鍵之處是電弧沿軌道的轉(zhuǎn)移和滲透到滅火室。電弧的運(yùn)動是由兩種效應(yīng)所影響：8Thermalplasmamodelling1、通有電流的觸頭和壓力所產(chǎn)生的外部電磁力；2、在空氣加熱或離解時所產(chǎn)生的等離子體上的壓力效應(yīng)，觸頭和外殼的燒蝕會導(dǎo)致材料的汽化。同時，壓力會增加一些工業(yè)問題，這

6、些工業(yè)問題激發(fā)了如下基礎(chǔ)研究和模型的建立：斷路器的小型化；電弧進(jìn)入滅弧室的快速滲透；由于導(dǎo)電蒸氣的存在引起的觸頭間的電弧重燃；燃弧后沉積在斷路器里的粉末。一些基本的實(shí)際現(xiàn)象或情況必須在相應(yīng)的建模中加以分析：計(jì)算外部受力；電弧三維模型的建立以及等離子和氣體的運(yùn)動軌跡；沿著軌道的弧根轉(zhuǎn)移；電弧與周圍材料（觸頭，外殼，分流器）的相連和守恒方程中蒸汽特性的介紹；重燃過程中這些蒸汽所扮演的角色；及沉積下的粉末的化學(xué)分析。在SF6高壓斷路器中因觸頭分離所產(chǎn)生的電弧周圍是一個噴嘴，當(dāng)交流電流過零點(diǎn)時（電弧成為絲狀），由來自某一區(qū)域的冷氣體吹動電弧，該區(qū)域由河豚效

7、應(yīng)——壓縮空氣斷路器引起氣體的壓縮。這種效應(yīng)能非常迅速地冷卻等離子體，并且可由能承受快速回復(fù)電壓的絕緣氣體來代替等離子體。在現(xiàn)代斷路器中，壓氣效應(yīng)通常與由于蒸發(fā)造成的可控材料燒蝕所引起的過壓有關(guān)，它與機(jī)械活塞的運(yùn)動相關(guān)。在這種裝備中所使用的氣體必須滿足兩個條件：1、有助于等離子體態(tài)冷卻的高的熱導(dǎo)率；2、常態(tài)下高的絕緣強(qiáng)度，以避免接觸時的高壓導(dǎo)致?lián)舸?。除了這些物理特性以外，其他的化學(xué)特性，例如分子的穩(wěn)定性和無毒性也是必須的。SF6就是最好的候選者。目前與這種系統(tǒng)相關(guān)的仍然存在的技術(shù)和科學(xué)難題有：擾動和非平衡效應(yīng)對氣流冷卻影響的定量解釋；SF6和材料的

8、的氣體混合物在中溫范圍（例如幾百K）的擊穿特性；超高壓設(shè)備的開發(fā)；強(qiáng)溫室效應(yīng)氣體SF6替代氣體的尋找。6.2低壓斷路器（L