Comsol电弧燃烧放电仿真计算

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Comsol电弧燃烧放电仿真计算

关键词：

电弧模型；电弧放电；电弧能量；磁流体动力学（MHD）；电磁-传热-流体耦合；数值模拟

1.电弧放电

电弧是一种气体放电现象，电流通过某些绝缘介质所产生的瞬间火花。电弧是一种自持气体导电，其大多数载流子为一次电子发射所产生的电子。触头金属表面因一次电子发射（比如热离子发射、场致发射或光电发射等）导致电子逸出，间隙中气体原子或分子会因碰撞电离、光电离和热电离等形式而产生电子和离子。另外，电子或离子轰击发射表面又会引起二次电子发射，当间隙中离子浓度足够大时，间隙被电击穿而发生电弧。

图1.png

图1. 电弧放电

电弧等离子体中存在着热场、气流场和电磁场的复杂过程，见图2。各个场之间通过一些相关的物理参数相互耦合。热场和气流场的基本参数为温度、压强和速度。温度和压强的变化会导致电弧气体中动力粘度、电导率等物性参数改变。电弧的热场和电场主要通过焦耳热和电导率进行相互耦合。电导率的变化使得电弧中的电场和电流分布发生变化。从而也引起磁场的改变。电流密度会产生单位体积的焦耳热，电弧气体的发热源，作为源项直接参与了电弧能量方程的计算磁场引起的洛伦兹力会对电弧气体气流场产生作用。并作为体积力直接参与动量方程计算，实现了磁场和气流场的耦合。

图2.png

图2.电弧等离子体的物理过程

2. 模型简介

基于磁流体动力学（MHD）建立电弧燃烧放电过程的数学模型。由于电弧等离子体的运动是一个复杂的物理过程，仿真计算要基于如下假设：（1）假设电弧始终处于局部热力学平衡状态（Local Thermal Equilibrium, LTE）。（2）由于鞘层对于热场和气流场的影响很小，因此忽略电弧鞘层的影响。（3）仿真计算从电弧稳定燃烧开始，忽略起弧过程。电弧等离子体一般被视为一种带电的流体，会受到电磁力的作用，仿真中要对流体与电磁场的方程耦合求解。利用由质量、动量和能量守恒定律推导的流体微分方程。搭建了一个二维轴对称几何模型，建立和求解电弧燃烧放电过程的电磁-传热-流体耦合过程。具体计算模型和材料参数设置如图3和4所示。