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故障限电器中液态金属(GaInSn)流场的数值模拟 1, 2 1 2 1 卢学山 ,张敏 ,王国华 ,张钧波 1 南京理工大学动力工程学院,南京(210094 ) 2 中石化金陵分公司热电联合车间, 南京(210033 ) 摘 要:利用ANSYS商业软件,采用有限元方法(FEM ),模拟故障电流限制器内液态金 属 (GaInSn )在电磁力作用下的流动特性,通过对非自由表面和自由表面流场的分析,研究 流动在限流器工作原理中起到的作用,同时和实验结果相比较,并得到令人满意的一致结果。 这些充分地证明了本数值仿真方法正确的和可行的。 关键词:液态金属 (GaInSn) ;有限元方法;CFD 引言 液态金属故障电流限制器是近年来流行的一种限流器,具有限制故障电流效果显著、结 构简单和故障后可以自动恢复等优点。先前的液态金属汞(Hg )限流器因为汞有毒,已逐 [1-2] 步被镓铟锡(GaInSn )所取代 。 通电液态金属的流动是复杂的。一方面,运动流体中的电流产生电磁力,从而改变流体 的运动;另一方面,流动会导致电磁场的改变。在所有这些问题进行探讨时,即考虑力学效 应,又要考虑其电磁效应[3-4] 。 为了便于分析研究,我们做出以下基本假设[5-7] : (1)不可压缩流体的假设。电磁流体力学一般用来研究电离气体或液体金属。这里以 液体金属作为研究对象,所以假设其为不可压缩流体。 (2 )牛顿流体的假设。剪切应力与剪切应变率之间满足线性关系的流体称为牛顿流体。 在工业生产过程中和自然界,存在着许多剪切应力与剪切速率间不呈线性关系的流体,称之 为非牛顿流体。GaInSn 液态金属就是非牛顿流体。考虑 GaInSn 在限流器内部流动速度不快, 在分析过程中满足牛顿内摩擦定律,可看作牛顿流体来处理。 (3 )绝热过程的假设。在限流器通电后,内部温度发生改变,传热方式有传导和对流。 在分析流场时,为了方便运算,在温度变化对流动不会有较大影响的前提下,将过程假设为 绝热状态,即不考虑温度对 GaInSn 密度和粘性系数的影响。 ANSYS 软件[8] 中的FLOTRAN CFD分析功能,可以对二维及三维流体流场的各种问题进 行分析。其中的FLUID142单元类型,可以用来解算粘性流体的三维流动速度、压力和温度 场分布。本文运用FLUID142单元进行流体动力计算。 1. 基本控制方程 GaInSn 液态金属流体在电磁力作用下的流速低于6.5m / s 。通道直径为0.006m ,限流 器 两 端 直 径 为 0.012m 。 环 境 温 度 293K 时 , 液 态 金 属 流 体 运 动 粘 性 系 数 为 −7 2 ν µρ 0.0024 6400 3.75×10 m s ,因此采用湍流模型求解。本文采用的是标准k −ε两方 程湍流模型,控制方程包括质量守恒和动量守恒方程,以及k−ε方程。 (1)质量守恒方程 ∂ρ ∂ ui +ρ 0 (1.1) ∂ t ∂ x i -1- u ρ 其中, 为速度, 为密度。 (2 )动量守恒方程 ∂ u ∂ u u ∂ p
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