[发明专利]GIS设备内部多金属颗粒流动特性的三维多场耦合仿真方法

说明书

本发明属于高压开关设备绝缘设计与数值仿真领域，具体涉及一种GIS设备内部多金属颗粒流动特性的三维多场耦合仿真的方法。通过编写CFDEM的开源代码完成了同轴圆柱结构电场下颗粒流动的欧拉‑拉格朗日模型和几何建模，同时实现了FVM和DEM算法的数值耦合，计算在综合考虑了颗粒与颗粒、颗粒与流体、颗粒与电场、颗粒与电极和外壳的碰撞这一系列相互作用、以及颗粒与电极或者颗粒间发生碰撞时的荷电和电荷转移的物理过程的基础上完成，得到了颗粒流动特性的特征参数，如带电量、速度、位移和受到的作用力，再通过数形结合的后处理，最终观察到了多颗粒在直流和交流两种电压下的动态分布以及线形颗粒的翻滚状态。

技术领域

本发明涉及高压开关设备绝缘设计与数值仿真技术领域，具体涉及GIS设备内部多金属颗粒流动特性的三维多场耦合仿真方法。

背景技术

带电颗粒的运动被普遍认为是威胁气体绝缘开关GIS设备绝缘的危险行为之一。然而就关于颗粒运动行为的模拟类仿真或者数值计算的研究很少，对于带电颗粒的受力分析的理论推导也不完善，主要原因有以下三个方面：其一，颗粒的运动物理建模复杂，颗粒本身的形状、材料属性、所处的外部环境等自然因素千差万别，颗粒运动时发生的各种随机碰撞行为，引起颗粒的旋转，使得颗粒受到Magnus力的作用，此时原本直线运动的颗粒由于Magnus力的影响使得轨迹偏移甚至变成弧线，对于带电的颗粒，发生碰撞时还会产生电荷的转移现象；其二，即使建立了充分考虑了各种作用力，各种壁面的边界条件的颗粒运动的模型，由于该问题同时涉及到了连续相(流体和电场)和离散相(颗粒)的耦合求解，而传统的用于高精度近似解析电磁场的FEM(有限元)、FVM(有限体积)法等在解决离散相模型方面并没有优势，因此需要去寻找一种新的合适的算法；其三，同时建立起完整的边界条件和颗粒的模型，再考虑所有力的作用，这样的算例计算量会非常复杂。传统的欧拉法(如FEM)通常很难实现上述过程，也很难直观而形象的描绘出这种离散颗粒的流动细节。

发明内容

本发明的目的在于提供一种GIS设备内部多金属颗粒流动特性的三维多场耦合仿真方法，该方法利用拉格朗日粒子直接构造在气体绝缘开关设备(GIS)普遍存在的金属颗粒的模型，通过离散单元法(DEM)和有限体积元法(FVM)的数值耦合，得到可以直观反映每一个金属颗粒在GIS设备内部流动的实时动态数据和图像。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

GIS设备内部多金属颗粒流动特性的三维多场耦合仿真方法，利用拉格朗日粒子直接构造在气体绝缘开关设备(GIS)普遍存在的金属颗粒的模型，通过离散单元法(DEM)和有限体积元法(FVM)的数值耦合，得到可以直观反映每一个金属颗粒在GIS设备内部流动的实时动态数据和图像，数据包括每一个颗粒的在每一时刻的带电量q_i、受到的合力f_i、位移x_i、速度v_i，其中下标i表示第i个颗粒。具体地说，该方法包括以下步骤：

步骤1：以球形的拉格朗日粒子为基础的数学模型单元，设定好构成每一个金属颗粒的拉格朗日粒子中的每一个粒子的密度ρ_ii、半径r_ii、杨氏模量Y_ii、泊松比B_ii，构造出需要的颗粒模型，其中下标ii表示构成第i个颗粒的第i个拉格朗日粒子的序号；对于球形颗粒，ρ_i＝ρ_ii，r_i＝r_ii，Y_i＝Y_ii，B_i＝B_ii，ρ_i是第i个颗粒的密度，r_i是第i个颗粒半径，Y_i是第i个颗粒的杨氏模量，B_i是第i个颗粒的泊松比，对于线型颗粒可以利用刚性键连接拉格朗日粒子的方法生成。

步骤2：设定计算域，计算域的大小取待研究的GIS设备的几何模型的尺寸。