向愷, 陳建球, 荀徑

(1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 廣西南寧530004;2.南寧學(xué)院中國(guó)-東盟綜合交通國(guó)際聯(lián)合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西南寧530299;3.北京交通大學(xué)先進(jìn)軌道交通自主運(yùn)行國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100044)

0 引言

在電氣化鐵路中,受電弓與接觸線(xiàn)之間因行駛不平順等原因易導(dǎo)致二者分離,出現(xiàn)電弧放電現(xiàn)象[1-2]。由于電弧放電會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈高溫,因此易對(duì)接觸線(xiàn)表面產(chǎn)生熔池坑,也對(duì)碳滑板表面產(chǎn)生燒蝕[3],并且隨著軌道列車(chē)運(yùn)行速度的加快,弓網(wǎng)間接觸力波動(dòng)幅度增大,弓網(wǎng)電弧造成的故障愈發(fā)頻繁。

弓網(wǎng)電弧是一種熱-電-磁等多個(gè)物理場(chǎng)耦合作用的過(guò)程[4-5],目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)弓網(wǎng)電弧的仿真研究較少,多集中在用磁流體模型描述電弧放電現(xiàn)象[6]。磁流體動(dòng)力學(xué)模型是將電弧等離子體視為一種多組分流體,描述了粒子頻繁碰撞下呈現(xiàn)麥克斯韋分布的狀態(tài),通過(guò)宏觀(guān)熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)或化學(xué)動(dòng)力學(xué)理論求取粒子組分,與N-S(Navier-Stokes)控制方程、電磁方程等聯(lián)合建模,同時(shí)表征電弧宏觀(guān)時(shí)空特性與微觀(guān)粒子狀態(tài)[7]。

王立軍等[8]提出一種基于磁流體動(dòng)力學(xué)的電弧開(kāi)關(guān)模型,通過(guò)電流元等初值,得出真空電弧的等離子分布與電流密度分布,并且研究了開(kāi)關(guān)兩極間隙對(duì)電弧溫度的影響,但該模型基于真空環(huán)境的假設(shè)下,未考慮空氣介質(zhì)對(duì)電弧的影響。郝長(zhǎng)金等[9]在開(kāi)關(guān)電弧的磁流體動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上,考慮弓網(wǎng)車(chē)體振動(dòng)與空氣介質(zhì)等因素建立了弓網(wǎng)電弧模型,并著重研究了電流對(duì)弓網(wǎng)電弧的影響。Xu等[6]在磁流體動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上,考慮在低氣壓強(qiáng)氣流下的電弧運(yùn)動(dòng)特性,搭建了受電弓-接觸線(xiàn)電弧模型,得出了氣流速度對(duì)弓網(wǎng)電弧的影響。Yang等[10]基于磁流體電弧模型,研究空氣流動(dòng)方向?qū)﹄娀〉挠绊?結(jié)果表明：交叉風(fēng)和45°方向風(fēng)對(duì)動(dòng)態(tài)電弧運(yùn)動(dòng)形態(tài)有顯著影響,對(duì)于電弧溫度分布變化不大,但該模型建立在低空氣流速等工況條件下,對(duì)于高速列車(chē)弓網(wǎng)電弧具有一定的局限性。

針對(duì)前文未考慮到高速工況下強(qiáng)制對(duì)流換熱對(duì)弓網(wǎng)電弧的影響,本文中對(duì)熱源項(xiàng)添加由空氣流動(dòng)引起的熱源損失,并基于COMSOL的多物理場(chǎng)模塊下,建立弓網(wǎng)電弧的磁流體二維仿真模型,仿真得到電弧柱區(qū)域內(nèi)溫度分布、接觸線(xiàn)碳滑板表面溫度分布等參數(shù)。同時(shí),通過(guò)光譜分析法對(duì)弓網(wǎng)電弧溫度進(jìn)行測(cè)量,經(jīng)過(guò)3次測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比后,證實(shí)了仿真實(shí)驗(yàn)的可靠性,最終分析得出影響弓網(wǎng)電弧溫度分布的因素。

1 計(jì)算方法與理論基礎(chǔ)

1.1 磁流體動(dòng)力學(xué)模型

電弧的計(jì)算基于磁流體動(dòng)力學(xué)理論,將電弧等離子體視為帶電流體,通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)方程得到質(zhì)量、動(dòng)量以及能量守恒方程,并且為描述電弧的加熱效應(yīng)與電場(chǎng)電磁力作用,對(duì)動(dòng)量與能量守恒方程添加動(dòng)量源項(xiàng)與熱源項(xiàng)。

1.1.1 流體動(dòng)力學(xué)方程

根據(jù)麥克斯韋方程組可得電弧質(zhì)量守恒方程為

(1)

式中：ρ為電弧柱離子的電荷密度,C/m3;u為流場(chǎng)速度矢量。

動(dòng)量守恒方程為

(2)

(3)

式中：u、v表示為在x、y分量方向上的運(yùn)動(dòng)速度,m/s;η為流體的黏性系數(shù),kg/(m·s);p為流體壓強(qiáng),Pa。

Su、Sv為動(dòng)量方程的動(dòng)量源項(xiàng),表達(dá)式分別為

(4)

(5)

式中：su、sv分別為流場(chǎng)內(nèi)x、y分量方向上黏性動(dòng)量項(xiàng),N/m3;Fx、Fy分別為在分量方向上的洛倫茲力密度,N/m3;λ是熱導(dǎo)率,W/(m·K);J為電流密度,A/m2;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,T;在電弧流場(chǎng)中,忽略重力對(duì)電弧的影響,其外體積力等于電弧受到的洛倫茲力,其大小為JB。

能量守恒方程為

(6)

式中：T為熱力學(xué)溫度,K;Cp為質(zhì)量熱容,J/(kg·K);QW為熱源項(xiàng),W/m3。

其熱源項(xiàng)QW的表達(dá)式為

(7)

式中：V為黏性耗散項(xiàng);QR為電弧熱輻射過(guò)程中的能量損失值;Qa為空氣流動(dòng)引起的能量耗散;等式右邊第1項(xiàng)為等離子體的焓變熱,第2項(xiàng)為黏度耗散項(xiàng),第3項(xiàng)為焦耳熱,第4項(xiàng)為電弧輻射熱。

在能量守恒式中,熱輻射損失QR項(xiàng)不可忽略。為了簡(jiǎn)化電弧輻射過(guò)程的計(jì)算,采用文獻(xiàn)[11]的經(jīng)驗(yàn)公式描述電弧熱輻射模型。在該模型中將電弧柱內(nèi)部分為無(wú)數(shù)個(gè)小區(qū)域,每個(gè)小區(qū)域均認(rèn)為是獨(dú)立的發(fā)散熱單元,得到電弧的熱輻射為

(8)

(9)

式中：α為玻爾茲曼常數(shù),其值為5.670 57×10-8W/(m2·K4);k為吸收系數(shù),與氣體的壓強(qiáng)呈線(xiàn)性關(guān)系;p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓壓強(qiáng),其值為1.01×105Pa;T0為外界溫度,K。

1.1.2 流場(chǎng)狀態(tài)方程

為了求解以上的流體方程,還需對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行狀態(tài)方程描述。

①電場(chǎng)方程。

根據(jù)歐姆定律以及電流守恒方程,有

div(σgardφ)=0,

(10)

J=-σgardφ,

(11)

式(10)與(11)中：σ為電導(dǎo)率,S/m;φ為電場(chǎng)電勢(shì),V。

②磁場(chǎng)方程。

根據(jù)安培定律以及磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁矢量之間的關(guān)系,有

div(gradA)=-μ0J,

(12)

B=A,

(13)

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率,其標(biāo)準(zhǔn)值為4π×10-7H/m;A為磁矢量,Wb/m。

③接觸線(xiàn)感應(yīng)強(qiáng)度B。

前文提到接觸線(xiàn)中的電流會(huì)在周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng),而從對(duì)電弧施加洛倫茲力,根據(jù)畢奧-薩伐定律可得[12]

(14)

式中：i為接觸線(xiàn)中的電流,A;μ為等離子體的磁導(dǎo)率,H/m;h為距離接觸網(wǎng)的垂直距離,m;eφ為單位向量。

1.2 空氣對(duì)流換熱修正項(xiàng)

與開(kāi)關(guān)電弧模型的真空條件不同,弓網(wǎng)電弧模型的電弧柱區(qū)域處于空氣介質(zhì)中,因此必須考慮由氣體流動(dòng)引起的散熱影響[13],由空氣流動(dòng)引起的能量耗散項(xiàng)Qa表達(dá)式為

Qa=Aha(T-T0),

(15)

式中：A為弓網(wǎng)電弧與氣體接觸的面積,m2;ha為空氣散熱系數(shù),根據(jù)邊界層理論,弓網(wǎng)電弧和周?chē)鷼怏w之間的散熱系數(shù)ha可以由式表示為

(16)

式中：λa為空氣的熱導(dǎo)系數(shù),W/(m·K);δ為單元格厚度,m;Nu為努塞爾數(shù),當(dāng)空氣流動(dòng)較小時(shí),可忽略其自然對(duì)流換熱;當(dāng)空氣流動(dòng)速度較大(大于5 m/s)時(shí),此時(shí)空氣將視為層流流動(dòng),其值可根據(jù)文獻(xiàn)[14]中的強(qiáng)制流動(dòng)散熱模型計(jì)算。

Nu=CRenPr1/3,

(17)

(18)

(19)

式中：C、n均為常數(shù),根據(jù)弓網(wǎng)運(yùn)行工況,等離子體在電弧柱內(nèi)部的流動(dòng)可近似地認(rèn)為是流體在管道內(nèi)的流動(dòng),其常數(shù)值可以為C=0.026,n=0.8;Re為雷諾數(shù);Pr為普朗特?cái)?shù)。將公式(16)—(19)代入式(15)中,得到考慮強(qiáng)制流動(dòng)散熱的能量損耗項(xiàng)Qa為

(20)

修正后的熱源項(xiàng)表達(dá)式為

(21)

2 仿真模型的建立

2.1 模型設(shè)置

本次仿真在COMSOL軟件中建立二維對(duì)稱(chēng)模型,利用多物理場(chǎng)模塊計(jì)算得出電弧柱區(qū)域內(nèi)的電場(chǎng)與溫度場(chǎng)參數(shù)數(shù)值。

2.1.1 形狀尺寸及網(wǎng)格劃分

接觸線(xiàn)形狀尺寸參數(shù)如圖1所示。接觸線(xiàn)橫截面由2個(gè)圓相交組成,外圓半徑為20 mm,內(nèi)圓半徑為7.55 mm。為了方便與匯流排組裝,在側(cè)面形成77°的夾角,左、右兩側(cè)最短距離為6.5 mm,最短處距離頂部3.9 mm,模型截面整體長(zhǎng)度為13.6 mm。本次仿真為靜態(tài)仿真,碳滑板截取了部分輪廓,弓網(wǎng)之間的初始離線(xiàn)距離為2 mm。圖2為模型的網(wǎng)格分布,網(wǎng)格整體按照物理場(chǎng)控制網(wǎng)格劃分,最小處網(wǎng)格精度為0.2 mm,最大處網(wǎng)格精度為0.6 mm。同時(shí)在電弧柱與兩極接觸位置添加2層0.2 mm的均勻網(wǎng)格,以提高接觸線(xiàn)與弧柱之間的運(yùn)算精度。

圖1 接觸線(xiàn)尺寸圖Fig.1 Contact line size diagram

圖2 網(wǎng)格分布Fig.2 Meshing diagram

2.1.2 邊界條件

為了求解方程還需設(shè)立邊界條件,設(shè)接觸線(xiàn)為陽(yáng)極,碳滑板接地。本模型從電流、磁場(chǎng)、流體傳熱、層流4個(gè)層面設(shè)置邊界條件。

①電流邊界條件。

文獻(xiàn)[15]對(duì)電場(chǎng)陽(yáng)極處添加高斯電流密度函數(shù)近似模擬電流密度邊界源,本文中采用的電壓為初始值,可將剛性接觸邊界視為導(dǎo)線(xiàn),添加電壓邊界源,設(shè)置電壓初值為750 V。

②磁場(chǎng)邊界條件。

在求解磁場(chǎng)時(shí),設(shè)置空氣邊界為磁絕緣體。設(shè)置磁矢位在無(wú)窮遠(yuǎn)處為0,空氣邊界處的磁矢位值視為0。

③流體傳熱邊界條件。

設(shè)置流體傳熱邊界時(shí),默認(rèn)兩極與空氣求解區(qū)域的初始溫度為293 K,即室溫條件下。為了減少計(jì)算量,將碳滑板右側(cè)邊界設(shè)置為熱絕緣體。

④層流邊界條件。

設(shè)置層流邊界時(shí),將外圍空氣邊界視為強(qiáng)制對(duì)流,壓強(qiáng)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,流體區(qū)域考慮空氣流速影響,將設(shè)空氣流速恒定為0.1 m/s,方向?yàn)榇怪苯佑|線(xiàn)橫截面方向。

2.1.3 材料物理參數(shù)

本文中選用的銅合金接觸線(xiàn)為電弧陽(yáng)極,浸銅碳滑板為電弧陰極的弓網(wǎng)系統(tǒng)作為仿真主體,其材料物理參數(shù)[16]見(jiàn)表1：

表1 材料物理參數(shù)Tab.1 Material physical parameters

2.2 求解過(guò)程

本次仿真的迭代步長(zhǎng)為0.01 ms,仿真總時(shí)長(zhǎng)為10 ms,迭代次數(shù)為1 000次;仿真初始輸入為,電壓750 V,弓網(wǎng)間隙2 mm,空氣流速0.1 m/s;輸出變量為電弧燃弧10 ms后的溫度、電流密度以及電場(chǎng)強(qiáng)度等。弓網(wǎng)電弧瞬態(tài)求解過(guò)程的具體求解流程如圖3所示。

圖3 電弧模型的求解過(guò)程Fig.3 Process of solving the arc model

3 仿真結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 溫度場(chǎng)仿真結(jié)果

弓網(wǎng)電弧仿真結(jié)果如圖4所示。圖4(a)為弓網(wǎng)電弧在上述工況下燃弧10 ms后的整體溫度分布云圖。由圖4(a)可知,在靠近接觸線(xiàn)底部區(qū)域附近存在溫度最大值,其值為16 439 K,但從云圖上分析最大值并不在與接觸線(xiàn)表面,其主要原因?yàn)椋弘娀?nèi)部溫度主要來(lái)自于等離子體的焦耳熱,等離子體受洛倫茲力影響壓縮電弧區(qū)域,電弧產(chǎn)生的高溫會(huì)對(duì)接觸網(wǎng)與碳滑板造成傳熱,因此最高溫度點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)與接觸線(xiàn)直接接觸位置。

(a) 整體溫度分布云圖

由圖4(b)可知,縱向溫度分布呈現(xiàn)駝峰型,靠近陽(yáng)極(接觸線(xiàn))熱力學(xué)溫度明顯高于陰極(碳滑板),其溫度最大值在靠近陽(yáng)極接觸線(xiàn)1.420 mm處取到,其值為16 439 K。取兩極區(qū)域最高溫度與弧柱中點(diǎn)處為特殊橫截面,其橫向溫度分布如圖4(c)所示。其中各截面橫向溫度均隨橫向距離的增大而降低,但8 000 K以上的高溫區(qū)域分布存在差異,設(shè)各截面高溫邊界處的x值為高溫區(qū)域半徑,其值由小到大為：0.300 mm(陰極橫截面)、0.478 mm(陽(yáng)極橫截面)、0.649 mm(中點(diǎn)橫截面)。其中,中點(diǎn)截面的橫向溫度分布較為平緩,溫差過(guò)渡平滑,可用于后續(xù)的仿真溫度驗(yàn)證,選取距離電弧中心5.000 mm處作為待測(cè)溫度點(diǎn),仿真結(jié)果顯示電弧熱力學(xué)溫度為1 963 K。

3.2 光譜測(cè)溫原理

電弧的燃弧溫度極高,中心區(qū)域可達(dá)到10 000 K以上,并且電弧持續(xù)時(shí)間短,因此,傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方法不適用于電弧溫度測(cè)量[17-18]。本文中采用光譜法測(cè)量電弧溫度[19]。電弧在燃弧時(shí),弧柱中的等離子體的溫度與金屬粒子的輻射譜線(xiàn)強(qiáng)度有關(guān),若能獲得電弧等離子體的譜線(xiàn)分布,就能計(jì)算電弧等離子體的激發(fā)溫度[20-21]。根據(jù)玻爾茲曼分布,譜線(xiàn)的發(fā)光強(qiáng)度可表示為

(22)

(23)

(24)

式中：ni為激發(fā)態(tài)粒子密度,mol/m3;N為總原子數(shù);gi為上能級(jí)統(tǒng)計(jì)權(quán)重;Z(Te)為原子分配函數(shù);α為玻爾茲曼常數(shù),其值為5.670 57×10-8W/(m2·K4);εij為電子躍遷概率;h為普朗克常數(shù),其值為6.63×10-34J·s;c為光速;Aij為從上能級(jí)躍遷到下能級(jí)的自發(fā)輻射系數(shù);λij為躍遷發(fā)光波長(zhǎng);Lij為發(fā)光強(qiáng)度,J/s;Ω為光線(xiàn)立體角;V為總等離子體體積,m3;Fc為波長(zhǎng)與系統(tǒng)靈敏性的修正系數(shù)。

根據(jù)式(22)-(24)可得到2條不同波長(zhǎng)的譜線(xiàn)強(qiáng)度之比Lim為

(25)

對(duì)式(25)取對(duì)數(shù),并代入玻爾茲曼常數(shù),可得到

(26)

式中,D為單位換算引起的常量。

采用振子強(qiáng)度f(wàn)代替躍遷概率Aim可進(jìn)一步得到

(27)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與驗(yàn)證

圖5為實(shí)驗(yàn)室自制的弓網(wǎng)電弧實(shí)驗(yàn)平臺(tái),該平臺(tái)由弓網(wǎng)升降系統(tǒng),風(fēng)控系統(tǒng)以及測(cè)溫系統(tǒng)組成。直流電源通過(guò)碳刷、轉(zhuǎn)輪與接觸線(xiàn)連接,同受電弓碳滑板、模擬負(fù)載一起構(gòu)成電氣回路,轉(zhuǎn)盤(pán)另一端有電機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩,可模擬弓網(wǎng)運(yùn)行。風(fēng)控系統(tǒng)可模擬列車(chē)行駛時(shí)的空氣干擾,在本次測(cè)試中,為了防止空氣流動(dòng)造成的影響,將風(fēng)速設(shè)置為0.1 m/s,以模擬自然對(duì)流狀態(tài)。采用PG-2000型光譜儀同步采集弓網(wǎng)電弧的發(fā)射光譜,并通過(guò)Boltzman法測(cè)量距離弓網(wǎng)中心橫截面5 mm處溫度。

圖5 弓網(wǎng)電弧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.5 Bochnet electric arc experimental platform

電源設(shè)置為直流電壓750 V,負(fù)載電阻選用0.1 Ω,弓網(wǎng)間隙為2 mm,本次測(cè)量為靜態(tài)降弓過(guò)程電弧溫度測(cè)量,因此不需要開(kāi)啟電機(jī)。

在電弧燃弧后5 ms后拍攝到較為清晰波長(zhǎng)范圍在200～350 nm的銅原子光譜強(qiáng)度分布,根據(jù)光譜儀采集的光譜數(shù)據(jù),繪制的銅原子光譜分布如圖6所示。

圖6 波長(zhǎng)為200～350 nm的銅原子光譜分布Fig.6 Spectral distribution of copper atoms with wavelength 200～350 nm

選取圖6中波長(zhǎng)為222.57、282.44、296.11、306.34、333.78 nm的特征點(diǎn),采用多線(xiàn)法計(jì)算電弧待測(cè)點(diǎn)溫度。本實(shí)驗(yàn)中采用浸銅碳滑板與銅合金線(xiàn)作為研究主體,其中銅元素占比最大,因此還需獲得銅元素的特征譜線(xiàn),其完整譜線(xiàn)可通過(guò)查閱查閱NIST數(shù)據(jù)庫(kù)獲得,銅原子特征譜線(xiàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

對(duì)表格最后兩列數(shù)據(jù)用線(xiàn)性擬合,得到第一次電弧等離子溫度擬合曲線(xiàn)如圖7所示。由圖7可計(jì)算得出擬合曲線(xiàn)斜率為-2.551,代入式(27)可得到距離弧柱中心5 mm處的熱力學(xué)溫度為1 976 K,試驗(yàn)所采集的特征譜線(xiàn)是電壓在750 V工況下距電弧中心橫截面5 mm處燃弧10ms時(shí)電弧外圍的輻射光譜。為了防止試驗(yàn)的偶然性,重復(fù)上述過(guò)程,得到3次電弧測(cè)量熱力學(xué)溫度分別為1 976、1 966、1 983 K。

圖7 第一次電弧等離子溫度擬合曲線(xiàn)Fig.7 Temperature fitting curve of the first arc plasma

根據(jù)仿真結(jié)果,電弧柱中點(diǎn)截面離電弧中心線(xiàn)5 mm處時(shí)的熱力學(xué)溫度為1 963 K,對(duì)比實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的3組數(shù)據(jù),略有差異,此外還需考慮仿真中所作的假設(shè)以及試驗(yàn)誤差,因此認(rèn)為本次仿真結(jié)果基本可靠。

4 不同影響因素下仿真結(jié)果分析

4.1 電壓對(duì)溫度分布的影響

為了研究輸入電壓對(duì)弓網(wǎng)電弧的影響,保持其他參數(shù)不變,將電源電壓從600 V增加至750 V,得到不同電壓下弧柱溫度分布如圖8所示。通過(guò)對(duì)比分析可以得出,電弧柱內(nèi)部最大溫度隨電壓的升高而逐步上升,并且高溫區(qū)域不斷由陽(yáng)極向陰極擴(kuò)散。

(a) 600 V電弧溫度分布

弧柱區(qū)域溫度分布隨電壓變化曲線(xiàn)圖如圖9所示。由圖9(a)可知,隨著電壓提升,陽(yáng)極最高溫度變化不大,在局部放大圖中可看出,隨著電壓的增大,弧柱區(qū)域內(nèi)最高溫度點(diǎn)向弧柱中心微動(dòng),即陽(yáng)極區(qū)域向電弧柱中心靠攏,但其變化趨勢(shì)并不明顯;與陽(yáng)極區(qū)域變化相反,陰極區(qū)域向碳滑板方向微動(dòng)。這樣的微動(dòng)增大了從陽(yáng)極到陰極傳熱,導(dǎo)致碳滑板表面溫度進(jìn)一步升高。

(a) 縱向溫度分布

電弧柱內(nèi)部溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在陽(yáng)極附近,因此還需詳細(xì)研究陽(yáng)極區(qū)域的橫向溫度分布隨電壓變化趨勢(shì)。由圖9(a)的局部放大圖中可獲得600～750 V電壓條件下,縱向最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)的截面y坐標(biāo)信息,依次取y600=-6.109 mm,y650=-6.12 mm,y700=-6.131 mm,y750=-6.142 mm。根據(jù)得到的截面坐標(biāo)畫(huà)出陽(yáng)極最高溫度點(diǎn)處的橫向溫度分布與電壓變化趨勢(shì)圖[見(jiàn)圖9(b)],隨著電壓從600 V增大至750 V,熱力學(xué)溫度為12 000 K以上的高溫區(qū)域開(kāi)始橫向擴(kuò)散,從0.158 mm進(jìn)一步擴(kuò)大至0.322 mm。

4.2 空氣流動(dòng)速度對(duì)溫度的影響

為了研究流動(dòng)速度對(duì)電弧溫度的影響,將其空氣流動(dòng)速度分別設(shè)置為0.1、20.0、50.0 m/s,保持其他參數(shù)不變,得到電弧柱區(qū)域內(nèi)溫度分布云圖如圖10所示。由圖10可知,電弧區(qū)域內(nèi)最高溫度隨空氣流動(dòng)速度的提升而迅速降低,其原因主要集中在兩方面：一方面,較高的空氣流動(dòng)速度可以將熱量迅速分散至周?chē)諝庵?避免形成熱量集中區(qū)域;另一方面,高速氣流將一部分等離子彌散,減少電弧長(zhǎng)度,進(jìn)一步降低電弧柱區(qū)域的溫度。

(a) 0.1 m/s時(shí)溫度分布

4.3 導(dǎo)熱率對(duì)材料表面溫度的影響

為了研究碳滑板和接觸網(wǎng)溫度分布情況,對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理,隱藏弧柱區(qū)域顯示兩極內(nèi)部溫度,其接觸網(wǎng)與碳滑板溫度如圖11所示。其中接觸網(wǎng)表面熱力學(xué)溫度最高可達(dá)713 K,溫度由表面向內(nèi)迅速遞減,其等溫線(xiàn)近似同心半圓分布;碳滑板的表面熱力學(xué)溫度最高達(dá)4 873 K,遠(yuǎn)高于接觸網(wǎng)表面溫度,其原因主要是碳滑板熱導(dǎo)率低,熱量經(jīng)電弧傳遞到碳滑板表面,不能及時(shí)換熱,累積大量熱量在表面。當(dāng)熱力學(xué)溫度上升至4 000 K時(shí),電弧會(huì)對(duì)碳滑板表面形成熔池坑,造成熔池磨損。

圖11 碳滑板與接觸線(xiàn)表面溫度分布Fig.11 Carbon slide and catenary surface temperature distribution

為了研究熱導(dǎo)率對(duì)碳滑板表面溫度的影響,控制碳滑板其他物性參數(shù)不變,分別取熱導(dǎo)率λ為8、20、50 W/(m·K)時(shí),其接觸線(xiàn)內(nèi)部溫度分布如圖12所示。由圖12可知,當(dāng)滑板材料熱導(dǎo)率從8 W/(m·K)提高到50 W/(m·K)時(shí),最高熱力學(xué)溫度從4 873 K下降到了2 413 K,同時(shí)8 000 K以上高溫區(qū)域半徑也由1.214 mm減小至0.590 mm,說(shuō)明提高滑板材料的熱導(dǎo)率可以有效地降低弓網(wǎng)電弧對(duì)滑板的熱侵蝕程度,從而延長(zhǎng)滑板的使用壽命,因此,在選擇滑板材料時(shí),應(yīng)該優(yōu)先考慮其熱導(dǎo)率等相關(guān)性能指標(biāo),以確保其能夠承受高溫環(huán)境下的使用。

(a) 溫度分布云圖

5 結(jié)論

考慮強(qiáng)制對(duì)流換熱對(duì)弓網(wǎng)電弧的能量耗散,對(duì)傳統(tǒng)的磁體動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行改良,并對(duì)弓網(wǎng)靜態(tài)離線(xiàn)工況進(jìn)行模擬仿真,基于COMSOL軟件多物理模塊構(gòu)建了考慮空氣對(duì)流換熱的磁流體仿真模型,并對(duì)仿真模型進(jìn)行求解。同時(shí)通過(guò)多次電弧燒蝕實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,得出以下結(jié)論：

①電弧區(qū)域內(nèi)溫度縱向分布上呈現(xiàn)駝峰狀,在兩極區(qū)域均存在局部最大值,但溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在接觸線(xiàn)附近,并不與接觸線(xiàn)表面直接接觸;電弧區(qū)域內(nèi)最大溫度隨著電壓的增大而升高,并隨電壓的增大高溫區(qū)域不斷向陰極擴(kuò)散。

②高速工況下,較高的空氣流動(dòng)速度可以加快電弧的散熱過(guò)程,并將熱量迅速分散至空氣中。

③碳滑板的表面溫度遠(yuǎn)高于接觸線(xiàn)的,這是由碳滑板材料的熱導(dǎo)率低所致,提高滑板材料的熱導(dǎo)率可以有效降低弓網(wǎng)電弧對(duì)滑板的熱侵蝕。