[發明專利]GIS設備內部多金屬顆粒流動特性的三維多場耦合仿真方法

有效

• 申請號: 202011617657.4
• 申請日: 2020-12-30
• 公開（公告）號: CN112749503B
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 楊為;朱太云;田宇;柯艷國;朱勝龍;張國寶;趙恒陽;蔡夢怡;陳忠;李堅林;羅沙;甄超;謝佳;宋東波;趙常威;楊海濤;秦金飛;張晨晨;錢宇騁;楊熙;楊立;巫葉智
• 申請（專利權）人: 國網安徽省電力有限公司電力科學研究院;國網安徽省電力有限公司;合肥工業大學
• 主分類號: G06F30/25
• 分類號: G06F30/25;G06F119/14
• 代理公司: 合肥天明專利事務所(普通合伙) 34115
• 代理人: 奚華保

本發明屬于高壓開關設備絕緣設計與數值仿真領域，具體涉及一種GIS設備內部多金屬顆粒流動特性的三維多場耦合仿真的方法。通過編寫CFDEM的開源代碼完成了同軸圓柱結構電場下顆粒流動的歐拉?拉格朗日模型和幾何建模，同時實現了FVM和DEM算法的數值耦合，計算在綜合考慮了顆粒與顆粒、顆粒與流體、顆粒與電場、顆粒與電極和外殼的碰撞這一系列相互作用、以及顆粒與電極或者顆粒間發生碰撞時的荷電和電荷轉移的物理過程的基礎上完成，得到了顆粒流動特性的特征參數，如帶電量、速度、位移和受到的作用力，再通過數形結合的后處理，最終觀察到了多顆粒在直流和交流兩種電壓下的動態分布以及線形顆粒的翻滾狀態。

技術領域

本發明涉及高壓開關設備絕緣設計與數值仿真技術領域，具體涉及GIS設備內部多金屬顆粒流動特性的三維多場耦合仿真方法。

背景技術

帶電顆粒的運動被普遍認為是威脅氣體絕緣開關GIS設備絕緣的危險行為之一。然而就關于顆粒運動行為的模擬類仿真或者數值計算的研究很少，對于帶電顆粒的受力分析的理論推導也不完善，主要原因有以下三個方面：其一，顆粒的運動物理建模復雜，顆粒本身的形狀、材料屬性、所處的外部環境等自然因素千差萬別，顆粒運動時發生的各種隨機碰撞行為，引起顆粒的旋轉，使得顆粒受到Magnus力的作用，此時原本直線運動的顆粒由于Magnus力的影響使得軌跡偏移甚至變成弧線，對于帶電的顆粒，發生碰撞時還會產生電荷的轉移現象；其二，即使建立了充分考慮了各種作用力，各種壁面的邊界條件的顆粒運動的模型，由于該問題同時涉及到了連續相(流體和電場)和離散相(顆粒)的耦合求解，而傳統的用于高精度近似解析電磁場的FEM(有限元)、FVM(有限體積)法等在解決離散相模型方面并沒有優勢，因此需要去尋找一種新的合適的算法；其三，同時建立起完整的邊界條件和顆粒的模型，再考慮所有力的作用，這樣的算例計算量會非常復雜。傳統的歐拉法(如FEM)通常很難實現上述過程，也很難直觀而形象的描繪出這種離散顆粒的流動細節。

發明內容

本發明的目的在于提供一種GIS設備內部多金屬顆粒流動特性的三維多場耦合仿真方法，該方法利用拉格朗日粒子直接構造在氣體絕緣開關設備(GIS)普遍存在的金屬顆粒的模型，通過離散單元法(DEM)和有限體積元法(FVM)的數值耦合，得到可以直觀反映每一個金屬顆粒在GIS設備內部流動的實時動態數據和圖像。

為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：

GIS設備內部多金屬顆粒流動特性的三維多場耦合仿真方法，利用拉格朗日粒子直接構造在氣體絕緣開關設備(GIS)普遍存在的金屬顆粒的模型，通過離散單元法(DEM)和有限體積元法(FVM)的數值耦合，得到可以直觀反映每一個金屬顆粒在GIS設備內部流動的實時動態數據和圖像，數據包括每一個顆粒的在每一時刻的帶電量q_i、受到的合力f_i、位移x_i、速度v_i，其中下標i表示第i個顆粒。具體地說，該方法包括以下步驟：

步驟1：以球形的拉格朗日粒子為基礎的數學模型單元，設定好構成每一個金屬顆粒的拉格朗日粒子中的每一個粒子的密度ρ_ii、半徑r_ii、楊氏模量Y_ii、泊松比B_ii，構造出需要的顆粒模型，其中下標ii表示構成第i個顆粒的第i個拉格朗日粒子的序號；對于球形顆粒，ρ_i＝ρ_ii，r_i＝r_ii，Y_i＝Y_ii，B_i＝B_ii，ρ_i是第i個顆粒的密度，r_i是第i個顆粒半徑，Y_i是第i個顆粒的楊氏模量，B_i是第i個顆粒的泊松比，對于線型顆?？梢岳脛傂枣I連接拉格朗日粒子的方法生成。

步驟2：設定計算域，計算域的大小取待研究的GIS設備的幾何模型的尺寸。