Синхронная газовая коммутация в высоковольтных дугогасительных системах с импульсной инжекцией тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат наук Куракина Наталья Константиновна

• Куракина Наталья Константиновна
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Куракина Наталья Константиновна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СИНХРОННАЯ ИМПУЛЬСНАЯ ИНЖЕКЦИЯ ГАЗА КАК СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДУГОГАШЕНИЯ

1.1. Проблематика использования синхронной (управляемой) коммутации

1.2. Дуга отключения. Критерии дугогашения для разработки концепции синхронной импульсной инжекции газа

1.3. Модельное дугогасительное устройство с синхронной коммутацией. Эмпирические зависимости. Методы физического моделирования

1.4. Дугогасительные среды для синхронной импульсной инжекции газа

Постановка задач исследования

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОКОЛОНУЛЕВЫХ ПРОЦЕССОВ

2.1. Газодинамическое представление плазмы. Основные уравнения

2.2. Выбор методики расчета

2.3. Создание расчетной модели

2.4. Результаты расчета

Выводы по Главе

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ВЕРИФИКАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Выводы по Главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЛУТАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ СИНХРОННОЙ ИМПУЛЬСНОЙ ИНЖЕКЦИИ ГАЗА

4.1. Временная оценка переходных процессов для достижения устойчивого газового потока

4.2. Форма и длительность СГИ

4.3. Влияние синхронной импульсной инжекции газа на зоны торможения газового потока

4.4. Синхронная импульсная инжекция газа для формирования области конфузора сопла

Выводы по главе

ГЛАВА 5. ВЕРИФИКАЦИЯ МЕТОДИКИ СИНХРОННОЙ ИМПУЛЬСНОЙ

ИНЖЕКЦИИ ГАЗА

Выводы по Главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение 1. Примеры заполнения управляющих файлов в ОрепБОДМ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синхронная газовая коммутация в высоковольтных дугогасительных системах с импульсной инжекцией»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Современные потребности развития электроэнергетического сектора предъявляют все более высокие требования к надежности, безопасности, ресурсу и технико-экономическим характеристикам высоковольтных аппаратов. Рост токов короткого замыкания в развивающихся энергосистемах вследствие увеличения плотности генерации и энергопотребления в перспективе потребует способности отключать токи, превышающие 63 кА для сетей высокого напряжения 110-1150 кВ [1-2]. Исследования процессов, происходящих в мощных выключателях переменного тока (ВВ), улучшение их потенциальных возможностей, поиск новых подходов к дугогашению являются актуальными задачами в новой научно-технологической парадигме развития России по внедрению интеллектуальных энергосистем, «умных» коммутационных устройств защиты [3].

Значительный вклад в создание и развитие отечественного электроаппаратостроения внесли Адоньев Н.М., Афанасьев В.В., Бабкин И.В., Бортник И.М., Брон О.Б., Вишневский Ю.И., Розанов Ю.К., Чемерис В.С. Успехи в разработках ВВ были связаны с исследованиями гашения электрической дуги Буткевича Г.В., Залесского А.М., Кукекова Г.А., Таева И.С.; в области экранных и изоляционных систем - Александрова Г.Н.; синтетических методов коммутационных испытаний - Каплана В.В., Нашатыря В.М.; специальных средств дугогашения (комбинированных тиристорных, гибридных, с магнитным дутьем) - Беляева В.Л., Тонконогова Е.Н., Фролова В.Я. и др. [4-8]. Среди зарубежных ученых следует отметить имена Ragaller K. [9], Moeller K., Niemeyer L., Swanson B., Frind G., Garzon R [10], Lowke J. и др. Сегодня мировыми лидерами в области аппаратостроения являются компании «Siemens», «Toshiba», «ABB», «Shneider Electric», «General Electric». Среди российских предприятий, специализирующихся на разработке защитных коммутационных устройств необходимо выделить компанию «Таврида Электрик».

Для существующих отработанных конструкторских и технологических решений в коммутационной аппаратуре в области модернизации требуются

кардинальные изменения вследствие ряда международных решений. Страны, ратифицировавшие Киотский протокол (1997) [11] и Парижское соглашение (2015) [12], взяли на себя обязательство ограничить выработку и использование парниковых газов, к которым относится элегаз - одна из доминирующих рабочих сред для выключателей высокого напряжения. Эти решения привели к модификации некоторых технических стандартов Международной электротехнической комиссией (МЭК [2]), Международным Советом по большим электрическим системам высокого напряжения (СЮЯЕ [13]) по практическому применению синхронной (управляемой) коммутации [14-18], в том числе в современной идеологии интеллектуализации энергосистем (1ЕС-61850 [19]), что мотивировало на проведение исследовательских работ.

Существует множество концепций развития высоковольтных выключателей, но все они имеют свои недостатки. Современные подходы к повышению эффективности дугогашения связаны с созданием новых типов электрических аппаратов. Предлагаемые улучшения в вакуумных, полупроводниковых и других ВВ являются в значительной степени экспериментальными. Разумно ожидать, что газонаполненные выключатели высокого напряжения переменного тока (ВГ) останутся доминирующими для эксплуатации в диапазоне высоких напряжений (от 110 кВ и выше) в обозримом будущем. Поэтому, разработка дополнительных, экономически целесообразных методов повышения дугогасительной способности, поиск новых подходов увеличения производительности ВГ при замене элегаза являются актуальным задачами.

В настоящей работе исследуется новый подход к гашению дуги переменного тока - синхронная импульсная инжекция газа - кратковременный локализованный импульс газа высокого давления в окрестности ноля тока, а также оценивается степень влияния этого метода на отключающую способность ВГ.

Объектом исследования являются дугогасительные устройства газонаполненных высоковольтных выключателей переменного тока. Предметом исследования являются физические процессы в дугогасительных системах

газонаполненных высоковольтных выключателей переменного тока в окрестности ноля тока в условиях синхронной импульсной инжекции газа.

Целью данной работы является повышение отключающей способности газонаполненных высоковольтных выключателей переменного тока путем синхронной импульсной инжекции газа высокого давления.

Для достижения поставленной цели нужно решить следующие задачи:

1. Обосновать применение синхронной импульсной инжекции газа для повышения отключающей способности газонаполненных высоковольтных выключателей переменного тока.

2. Разработать методику расчета при взаимодействии газового потока (с участками сверхзвуковых течений) и остаточного следа плазмы при учете подвижных элементов конструкций дугогасительных камер выключателей, верифицировать разработанную математическую модель экспериментом.

3. Выполнить сравнительный анализ условий коммутации при воздействии синхронной импульсной инжекции газа в зависимости от исходных параметров.

4. Произвести оценку эффективности синхронной импульсной инжекции газа для практической реализации методики.

Научная новизна:

1. Впервые предложен и исследован метод повышения отключающей способности газонаполненных высоковольтных выключателей переменного тока: синхронная импульсная инжекция газа.

2. Разработана нестационарная физико-математическая модель для сверхзвуковых течений, поддерживающая движение/перестроение сеток, в свободно распространяемом пакете ОрепБОЛМ [20] при газодинамическом представлении остаточного следа плазмы.

3. Установлена взаимосвязь параметров, обеспечивающих гашение дуги при воздействии СГИ в газонаполненных высоковольтных выключателях переменного тока.

Методы диссертационного исследования основаны на численном моделировании физических процессов при воздействии синхронной импульсной

инжекции газа в дугогасителях различных конфигураций с помощью открытого программного пакета OpenFOAM [20] при газодинамическом представлении остаточного следа плазмы и экспериментальной верификации разработанной физико-математической модели.

Теоретическая значимость заключается в исследовании нового подхода синхронной импульсной инжекции газа для повышения отключающей способности газонаполненных высоковольтных выключателей переменного тока при использовании альтернативных элегазу дугогасительных сред природного происхождения, методики численного анализа физических явлений в окрестности ноля тока, математическом представлении результатов моделирования. Практическая значимость исследований заключается в выработке рекомендаций по параметрам синхронной импульсной инжекции газа для разработки дугогасительных устройств. Потенциальные выгоды могут проявляться в повышении номинальных токов и напряжений на разрыв, отказе от экологически чувствительных дугогасительных сред, снижении износа при минимизации времени дуговых процессов и, как следствие, повышении жизненного цикла выключателя.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика синхронной импульсной инжекции газа для использования в дугогасительных системах газонаполненных выключателей переменного тока.

2. Физико-математическая модель для оценки влияния газовых струй на параметры остаточного ствола дуги в окрестности ноля тока.

3. Параметры синхронной импульсной инжекции газа в дугогасительных системах различной конфигурации и доказательство их эффективности.

4. Верификация методики при минимизации воздействия синхронной импульсной инжекции газа в модельном дугогасительном устройстве одностороннего продольного воздушного дутья.

Степень достоверности результатов. Теоретические изыскания базируются на общеизвестной теории гашения дуги. Расчеты на основе метода контрольного объема проводились в программном пакете под лицензией на

свободное программное обеспечение GNU (GPL) [21]. Разработанная математическая модель в двух- и трехмерной постановке верифицирована опытными исследованиями. Математические формулы, используемые для верификации методики, подтверждены многочисленными экспериментами на модельном дугогасительном устройстве одностороннего продольного воздушного дутья [22-24].

Личный вклад автора состоит в развитии идеи синхронной импульсной инжекции газа, адаптации физико-математической модели к решению поставленной задачи, верификации расчетной модели, обработке результатов численного моделирования, установлении параметров синхронной импульсной инжекции газа, оценки эффективности при минимизации воздействия для практического внедрения методики, подготовке публикаций к печати и апробации результатов.

Апробация работы. Основные теоретические положения, результаты и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на практических конференциях:

1. International Scientific Conference on Energy, Environmental and Construction Engineering (EECE-2019), доклад «Gas flow-switching arc interaction in HV synchronous gas blast interrupters» (Россия, Санкт-Петербург, 2019)

2. XXIII Международная конференция «Physics of Switching Arcs», доклады «Formation of the Upstream Region in HV Gas Blast Interrupters with Synchronous Gas Injection» и «Axial Blast Type Discharge Chamber with Moving Electrode» (Чехия, Нове-Место-на-Мораве, 2019).

3. XII Международная научная конференция "Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики", доклад «Экспериментальные и теоретические исследования сильноточной дуги в разрядной камере с продольным продувом газа» (Россия, Санкт-Петербург, 2019).

4. International Scientific Electric Power Conference - 2019, доклад « Study of the stagnation region in HV gas-blast interrupters with synchronous gas injection» (Россия, Санкт-Петербург, 2019).

5. Международная Конференция "Физика. СПб", доклад «Analysis of the gas dynamics in the discharge chamber with a movable electrode» (Россия, Санкт-Петербург, 2018).

6. International Congress On Energy Fluxes And Radiation Effects (EFRE 2018), доклад « Моделирование течения газа в разрядной камере при размыкании контактной системы в пакете OpenFOAM» (Россия, Томск, 2019).

7. XXII Международная конференция «Physics of Switching Arcs», доклад «Experimental stand for investigations of insulator degradation and electrode erosion in high-current breaker» (Чехия, Нове-Место-на-Мораве, 2017).

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 89 наименований, одного приложения. Полный объем диссертации - 122 страницы, в том числе рисунков -59, таблиц - 3.

Список публикаций автора по теме диссертации. По результатам работ опубликовано 9 печатных трудов, из них 8 - статьи, опубликованные в журналах, входящих в список ВАК РФ; 6 статей вошли в научную базу SCOPUS и Web of Science, 9 - в РИНЦ.

1. Kurakina N. Study of the stagnation region in HV gas-blast interrupters with synchronous gas injection / Kurakina N., Frolov V., Tonkonogov E. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2019. Vol 643 (1), p. 012044. DOI: 10.1088/1757-899X/643/1/012044 (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS)

2. Kurakina N. Formation of the Upstream Region in HV Gas Blast Interrupters with Synchronous Gas Injection / Kurakina N., Frolov V., Tonkonogov E. // Plasma Physics and Technology. - 2019. Vol. 6, No. 1 - pp. 43-46. DOI: 10.14311/ppt.2019.1.43 (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS)

3. Kurakina N. Gas flow-switching arc interaction in HV synchronous gas blast interrupters / Kurakina N., Frolov V., Tonkonogov E. // E3 S Web of Conferences. - 2019. 140, p. 04016. DOI: 10.1051/e3sconf/201914004016 (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS)

4. Pinchuk M. Axial Blast Type Discharge Chamber with Moving Electrode / Pinchuk M., Budin A., Kurakina N., Leks A. // Plasma Physics and Technology. - 2019. Vol. 6, No. 3 - pp. 227-230. DOI: 10.14311/ppt.2019.3.227 (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS)

5. Куракина Н.К. Экспериментальные и теоретические исследования сильноточной дуги в разрядной камере с продольным продувом газа / Куракина Н.К., Пинчук М.Э., Будин А.В., Смирновский А.А. // XII Международная научная конференция «Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики». - 2019. С. 80-83 (РИНЦ)

6. Kurakina N. Analysis of the gas dynamics in the discharge chamber with a movable electrode / Kurakina N., Pinchuk M., Budin A., Smirnovsky A. // Journal of Physics: Conference Series. — 2018. 1135 (1), p. 012094 DOI: 10.1088/17426596/1135/1/012094 (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS)

7. Куракина Н.К. Численное исследование в программном пакете OpenFOAM газодинамических процессов в разрядной камере с подвижным электродом / Куракина Н.К., Пинчук М.Э., Будин А.В., Смирновский А.А., Фролов В.Я. // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. - 2018. Т. 24 № 2, С. 69-81 (рекомендовано ВАК)

8. Куракина Н.К. Моделирование течения газа в разрядной камере при размыкании контактной системы / Куракина Н.К., Пинчук М.Э., Будин А.В., Смирновский А.А., Кузнецов В.Е., Киселев А.А. // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2018. Т. 61. № 9-2 (729). С. 176-179 (рекомендовано ВАК)

9. Budin A. Experimental stand for investigations of insulator degradation and electrode erosion in high-current breaker / Budin A., Pinchuk M., Leontev V., Leks A., Kurakina N., Kiselev A., Simakova Y., Frolov V. // Plasma Physics and Technology. -2017. Vol. 4, No. 2 - pp. 120-123. DOI: 10.14311/ppt.2017.2.120 (рекомендовано ВАК, индексируется в базе SCOPUS)

Благодарности: Автор выражает благодарность коллегам и сотрудникам кафедры «Электротехника и Электроэнергетика», Высшей школы электроэнергетических систем Института Энергетики ФГАОУ ВО «Санкт-

Петербургский политехнический университет Петра Великого», ФГБУН «Институт электрофизики и электроэнергетики Российской академии наук» за экспертное мнение, полезные обсуждения, ценные рекомендации.

ГЛАВА 1. СИНХРОННАЯ ИМПУЛЬСНАЯ ИНЖЕКЦИЯ ГАЗА КАК

СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДУГОГАШЕНИЯ

Управление и защита энергосистемы - это сложный процесс, зависящий от правильной работы многих взаимосвязанных подсистем. Выключающие аппараты являются важнейшей частью коммутационного оборудования современной энергосистемы. На сегодня в энергосистеме Российской Федерации эксплуатируются различные типы выключателей отечественного и импортного производства: масляные и маломасляные, вакуумные, воздушные, элегазовые, комбинированные. Дальнейшее развитие аппаратостроения невозможно без учета недостатков использования тех или иных типов выключателей.

В масляных и маломасляных выключателях дугогасительной средой является минеральное масло. Выпуск таких выключателей прекращен, существенным недостатком масляных выключателей является взрывоопасность при внутренней неисправности.

Комбинированные контактно-тиристорные аппараты при использовании различных сред (вакуум, воздух, элегаз), где контакты шунтируются силовыми полупроводниковыми приборами, применяются для средних классов напряжения 6-10-35 кВ [7]. Их использование ограничено функциональными возможностями полупроводниковых приборов. Усовершенствование технологий производства может расширить сферу использования выключателей комбинированного типа в будущем.

В диапазоне средних классов напряжений наиболее распространены вакуумные выключатели. Их отличительная особенность - гашение дуги при первом же переходе через ноль после расхождения контактов и, как следствие, высокий коммутационный ресурс - десятки тысяч операций. Мировыми ведущими электротехническими компаниями разрабатываются одноразрывные конструкции вакуумных выключателей на 110 кВ с номинальным током отключения до 63 кА [25-27]. В настоящее время модели вакуумных выключателей, представленные на рынке, ограничены 145 кВ. На сессии СЮЯЕ-2018 [13] был анонсирован вакуумный выключатель для 245 кВ и 63 кА [28]. Указанная модель обладает

максимально допустимым номинальным напряжением для вакуумных выключателей на сегодняшний день.

Для распределительных устройств напряжением 110 кВ и выше используются высоковольтные газонаполненные выключатели переменного тока (ВГ). Советским ученым и инженером Вишневским Ю.И. были разработаны воздушные ВГ уровня лучших мировых образцов: серия 110-750 кВ - 31,5 кА (1961-1963); 1150 кВ - 40 кА (1969). Функционирование воздушных ВГ требует высокого избыточного давления и, как следствие, воздушный ВГ обладает значительными габаритами, что приводит к снижению показателей коммутационного и механического ресурсов по сравнению с элегазовыми аналогами.

Область применения элегазовым аппаратов распространяется в широком диапазоне: от 6-10 кВ до 1150 кВ с токами отключения до 63 кА. Последние десятилетия на смену элегазовых ВГ с двумя ступенями давления пришли компактные конструкции автокомпрессионного и автогенерирующего типов с одной ступенью давления. Российские специалисты внесли заметный вклад в развитие элегазового оборудования. В 1980 году Бортник И.М., Чемерис В.С. разработали элегазовый аппарат для герметичных комплектных распределительных устройств 1150 кВ, в 2000 году Вишневский Ю.И., Бабкин И.В. предложили конструкции на 800 кВ - 50 кА с двумя разрывами на фазу. На атомных электростанциях используются генераторные элегазовые выключатели 24 (27) кВ для токов короткого замыкания (КЗ) в диапазоне 63-200 кА при номинальном токе 5-24 кА. Однако элегаз является одним из самых мощных парниковых газов, продукты его распада высокотоксичны.

Много исследований последнего десятилетия посвящено поиску экологически безопасной замены элегазу [28-36]. В качестве альтернатив рассматриваются газы природного происхождения, фторированные газы, перфторкетоны, фторнитрилы, различные газовые смеси. К последним можно отнести g3 («green gas for grid») - среду, разработанную французской компанией General Electric Grid Solutions [37]. Несмотря на пристальное внимание ученых к

проблеме замены элегаза, большинство из перечисленных веществ обладает существенно худшими дугогасительными характеристиками по сравнению с элегазом, что вызывает необходимость разработки новых методов и подходов к дугогашению в диапазонах высоких напряжений (от 110 кВ и выше).

Одной из хорошо известных и перспективных методик повышения дугогасящей способности, ресурса и надежности выключателей за счет минимизации времени горения дуги является синхронная (управляемая) коммутация (СК).

1.1. Проблематика использования синхронной (управляемой) коммутации

Под синхронизированным подразумевают такое отключение, при котором начало размыкания контактов происходит за незначительное время перед переходом отключаемого переменного тока через ноль, и скорость разведения контактов настолько велика, чтобы к моменту, когда ток цепи станет равным нолю, расстояние между контактами выключателя было бы достаточным для выдерживания восстанавливающего напряжения высоковольтной цепи [38].

В 2004 году на сессии СЮЯЕ [13] был подготовлен ряд документов по практическому использованию СК в выключающих аппаратах [14-18]. Возросший интерес к методике СК со стороны международного научного сообщества обусловлен прежде всего развитием производственных технологий в сфере приводных устройств; внедрением цифровых, интеллектуальных решений; необходимостью перехода к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике при отказе от элегаза.

На сегодняшний день применение СК ограничено. К типичным направлениям применения СК относятся операции отключения емкостных токов и шунтирующих реакторов, силовых трансформаторов, линий ЛЭП [14-18]. При этом использование синхронных выключателей для отключения токов короткого замыкания (КЗ) является более сложной проблемой. Реализация эффективной схемы СК для отключения неудаленных КЗ осложняется присутствием внешних помех, асимметричностью распределения тока по фазам при аварии и другими

трудно предсказуемыми факторами, которые могут искажать измерения необходимых для СК начальных параметров.

Важное значение при СК играет надежная работа вспомогательных механизмов. При отключении необходимо контролировать/изменять время импульса перед нолем тока в зависимости от характеристик аварии для последующей подачи фиксированного командного сигнала на расхождение контактов. При наличии разработанных синхронизаторов существует проблема быстродействия приводных устройств, способных обеспечить необходимую скорость размыкания контактов. Высокая доля отказов синхронных выключателей связана именно с управляющими и вспомогательными цепями, приводами и рабочими механизмами, составляя до 52-72% от общего числа аварий [39].

В области научных исследований, посвященным изучению методики СК, следует отметить некоторые противоречия. На рисунке 1.1 представлены обобщенные результаты предельного давления гашения рпр, полученных опытным путем [23] для дугогасительных устройств (ДУ) одностороннего и двустороннего дутья при размыкании контактов в различные фазы тока.

Рисунок 1.1 - Зависимость предельного давления гашения при оптимальных расстояниях от момента размыкания контактов для ДУ одностороннего (1) и двустороннего (2) дутья

Рисунок 1.1 ярко демонстрируют превосходство односторонних систем: при двухстороннем дутье величина предельного давления гашения выше, чем в системах одностороннего дутья. Значительная разница сохраняется и при размыкании контактов до амплитуды тока. Однако данный вывод не подтверждается более поздними исследованиями разных авторов [8-9, 40-41], где

дугогасительные характеристики для ДУ двустороннего дутья выше в ~1,5 раз. Возможные причины указанных несоответствий требуют дополнительного изучения. Их можно связать со сложной динамикой распространения плазменного столба в межконтактном промежутке под действием газового потока, напрямую зависящую от конструкции ДУ и создаваемого избыточного давления. Использование дополнительной инжекции газа позволит повысить эффективность дугогашения. Ее направленное действие будет способствовать смещению дугового столба в зону горловины сопла (как наиболее вероятной области гашения дуги [89]) при одновременном повышении энергообмена газ-плазма.

В настоящее время в связи с развитием коммутационной техники и желанием обеспечить предельную отключающую способность при минимальных объемах дугогасительной среды и низких требованиях к приводу (с точки зрения его стоимости) применение СК в современных конструкциях автокомпрессионного и автогенерирующего типов также ограничено. На рисунке 1.2 представлена типичная конструкция ДУ газонаполненного выключателя автокомпрессионного типа с одной ступенью давления [10, 39]. Через систему главных контактов (1) и (2) в нормальном режиме проходит ток. При возникновении аварийной ситуации и разведении главных контактов (1) и (2) ток перебрасывается на дугогасительные контакты (3) и (4), которые также разъединяются. Газовый поток начинает свое движение через тефлоновое сопло (5). Однако дуга блокирует поступление газа из полости сжатия (7), ограниченной цилиндром (8) и неподвижным поршнем (9). Дальнейшее движение подвижной системы вызывает уменьшение объема полости (7), формируя область избыточного давления газовой среды. При прохождении тока через ноль выключатель срабатывает на отключение, и сжатый газ из полости (7) начинает поступать в межконтактный промежуток. При малом избыточном давлении (недостаточном разведении контактов) условия гашения могут оказаться неблагоприятными. При повторном подходе тока к нолю, когда цилиндр (8) с подвижным контактом (4) полностью открывается, начинают эффективно функционировать сопла, происходит гашение дуги и окончание процесса коммутации.

Рисунок 1.2 - Общая конструктивная схема газонаполненного выключателя автокомпрессионного типа с одной ступенью давления (дугогасительные контакты разведены).

Обозначения: 1 — неподвижный главный контакт, 2 — подвижный главный контакт, 3 — неподвижный дугогасительный контакт, 4 — подвижный дугогасительный контакт, 5 — сопло, 6 — рабочий объем с элегазом, 7 — полость сжатия, 8 — цилиндр с подвижным контактом, 9 - неподвижный поршень, 10 — приводной механизм [10, 39]

Таким образом, благоприятное «окно отключения» формируется в заключительной фазе работы привода. К этому времени среды для сжатия (в автокомпрессионном ВВ) или среды для генерации давления (в автогенерирующем ВВ) уже может быть недостаточно для эффективного гашения дуги в конце «окна отключения», что повлечет за собой возникновения аварийной ситуации. Дополнительная инжекция газа в конце «окна отключения» позволит предотвратить возникновение подобных аварий (особенно при отключении неудаленных КЗ) и будет способствовать росту отводимой мощности от остаточного дугового столба.

Суть предлагаемой в настоящей работе методики синхронной импульсной инжекции газа (СГИ) состоит в том, что кратковременный импульс холодного газа повышенного давления подается в базовый газовый поток около ноля тока. Для разработки теоретического базиса методики СГИ рассмотрим основные тезисы теории дугогашения в применении к электрическим аппаратам.

1.2. Дуга отключения. Критерии дугогашения для разработки концепции синхронной импульсной инжекции газа

Область ствола дуги представляет собой ионизированную квазинейтральную среду - плазму, в которой под действием внешнего электрического поля происходит дрейфовое движение носителей зарядов в направлении к электродам противоположного знака [4-5, 42-46].

Для создания благоприятных условий охлаждения остаточного дугового столба в продольном потоке газа рассмотрим конструктивные особенности дугогасительных устройств (ДУ). На рисунке 1.3 приводится схема гашения дуги в системах одностороннего (а) и двустороннего дутья (б, в). Газ продувается при избыточном давлении через сопло. Сформированная дуга схематично обозначена областью желтого цвета, направление основного потока отмечено синими стрелками. Ствол дуги подвергается интенсивному воздействию потоков холодного газа.

а) б) в)

Рисунок 1.3 - Схемы систем продольного газового дутья: одностороннего (а), двухстороннего (б, в). Обозначения: контакты - 1 и 2, К - конфузор, Д - диффузор, СТ - зона торможения газового потока, & - диаметр горловины сопла, 5о- расстояние между контактом (1) и горловиной сопла или критическими сечениями сопловых контактов, ^ - расстояние между контактами, &вс, &, 51 - другие геометрические размеры контактов

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Куракина Наталья Константиновна, 2021 год

Список литературы

[1] ГОСТ Р 52565-2006. Выключатели переменного напряжения на напряжение от 3 до 750 кВ. М.: Стандартинформ, 2007. - 82 с.

[2] IEC 62271-100 High-voltage switchgear and controlgear - Part 100: Alternating-current circuit-breakers, Edition 3.0., 2012.

[3] Указ Президента Российской Федерации от 01 декабря 2016 г. № 642 «О стратегии научно-технологического развития Российской Федерации». URL: http://www.kremlin.ru/acts/bank/41449 (дата обращения: 30.04.2021).

[4] Александров Г.Н., Афанасьев А.И., Моисеев В.В., Тонконогов Е.Н., Филиппов Ю.А., Ярмагин М.К. Электрические аппараты высокого напряжения; под ред. Г. Н. Александрова. Изд.2-е, доп. - СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2000. - 503 с.

[5] Кукеков Г.А. Выключатели переменного тока высокого напряжения. Л.: Энергия, 1972. - 336 с.

[6] Каплан В.В., Нашатырь В.М. Синтетические испытания высоковольтных выключателей. - Л.: Энергия, 1980. - 200 с.

[7] Кукеков Г.А., Фролов В.Я. Переходные процессы в контактно-тиристорных аппаратах. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. - 168 с.

[8] Тонконогов Е.Н. Выключатели переменного тока высокого напряжения. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2015. - 263 с.

[9] Рагаллер К. Отключение токов в сетях высокого напряжения. - М.: Энергоиздат, 1981. - 328 с.

[10] Garzon R.D. High voltage circuit breakers: design and applications. - Marcel Dekker Inc, New York, 2002.

[11] Kyoto Protocol to the United Nations Framework Convention on Climate Change (1998) URL: http://unfccc.int/kyoto_protocol/items/2830.php (дата обращения: 30.04.2021).

[12] Парижское соглашение в рамках Рамочной конвенции ООН об изменении климата (2015). URL: https://unfccc.int/resource/docs/2015/cop21/rus/l09r.pdf (дата обращения: 30.04.2021).

[13] Международный Совет по большим электрическим системам высокого напряжения (CIGRE) URL: https://www.cigre.org/ (дата обращения: 30.04.2021).

[14] CIGRE Working Group 13.07, Controlled Switching of HV AC Circuit Breakers: Guide for application lines, reactors, capacitors, transformers (1st Part) // Electra, CIGRE, Paris, No 183, 1999.

[15] CIGRE Working Group 13.07, Controlled Switching of HV AC Circuit Breakers: Guide for application lines, reactors, capacitors, transformers (2nd Part) // Electra, CIGRE, Paris, No 185, 1999.

[16] CIGRE Working Group A3.07, Controlled Switching of HV AC Circuit Breakers: Guidance for further applications including unloaded transformer switching, load and fault interruption and circuit-breaker uprating // CIGRE, Paris, 2004.

[17] CIGRE Working Group A3.07, Controlled Switching of HV AC Circuit Breakers: Benefits & economic aspects // CIGRE, Paris, 2004.

[18] CIGRE Working Group A3.07, Controlled Switching: non-conventional applications // Electra, CIGRE, Paris, No 214, 2004.

[19] IEC-61850 // https://webstore.iec.ch/publication/6007 (дата обращения: 30.04.2021).

[20] OpenFOAM.The OpenFOAM Foundation, - URL: https://openfoam.org/ (дата обращения: 30.04.2021).

[21] Лицензия свободного программного обеспечения GNU General Public License URL: http://www.gnu.org/licenses (дата обращения: 30.04.2021).

[22] Кукеков Г.А., Каплан Г.С., Ветюкова Л.С. Сравнительные исследования ствола дуги при продольном дутье в шестифтористой сере и в воздухе. - Л.: Электротехника, 1970, № 4 с. 55-58.

[23] Врангов Й.В. Исследование процессов гашения дуги в дугогасителях выключателей переменного тока при синхронизированном размыкании контактов: дис.канд.техн.наук /Ленинградский политехнический институт им. М. И. Калинина; науч. рук. А. М. Залесский, - Ленинград, 1971. - 201 с.

[24] Кукеков Г.А., Каплан Г.С., Ветюкова Л.С. Влияние торможения потока газа в выхлопной части дутьевой системы дугогасителя на параметры дуги. - Л.: Электричество, 1970, № 7 с. 35-37.

[25] ABB. URL: https://new.abb.com/news/detail/26792/abb-releases-new-vacuum-vd4g-63-circuit-breaker-for-generator-appHcations (дата обращения: 26.07.2020).

[26] Siemens. URL: https://new.siemens.com/global/en/products.html (дата обращения: 26.07.2020).

[27] Таврида Электрик. URL: https://www.tavrida.com/ter/solutions/VCB/ (дата обращения: 26.07.2020).

[28] Franck C. M., Chachereau A. and Pachin J. SF6-Free Gas-Insulated Switchgear: Current Status and Future Trends // IEEE Electrical Insulation Magazine, vol. 37, no. 1, pp. 7-16, Jan.-Feb. 2021 URL: https://doi.org/10.1109/MEI.2021.9290463.

[29] Kieffel Y., Girodet A., Biquez F., Ponchon Ph., Owens J., Costello M., Bulinski M., Van San R., and Werner K. SF6 Alternative Development for High Voltage Switchgears // CIGRE, D1-305, Paris, 2014.

[30] Seeger M., Smeets R., Yan J., Ito H., Claessens M., Dullni E., Falkingham L., Franck C.M., Gentils F., Hartmann W., Kieffel Y., Jia S., Jones G., Mantilla J., Pawar S., Rabie M., Robin-Jouan P., Schellekens H., Spencer J., Uchii T., Li X. and Yanabu S. Recent trends in development of high voltage circuit breakers with SF 6 alternative gases // Plasma Physics and Technology, 4(1):8—12, 2017

[31] Kieffel Y., Irwin T., Ponchon Ph., and Owens J. Green Gas to Replace SF6 in Electrical Grids IEE Power & Energy Magazin // 14(2): 32-39, 2016 URL: https://doi.org/10.1109/TPS.2016.2542645

[32] Robin-Jouan P., Bousoltane K., Kieffel Y., Trepanier J.Y., Camarero R., Arabi S., Pernaudat G. Analysis Of Last Development Results For High Voltage Circuit-Breakers Using New g3 gas // Plasma Physics and Technology 4(2): 157-160, 2017 URL: https://doi.org/10.14311/ppt.2017.2.157

[33] Stoller P.C., Seeger M., Iordanidis A.A., and Naidis G.V. CO2 as an Arc Interruption Medium in Gas Circuit Breakers // IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 41, No. 8, 2013. URL: https://doi.org/10.1109/TPS.2013.2259183

[34] Seeger M., Naidis G., Steffens A., Nordboard H., and Claessens M. Investigation of the dielectric recovery in synthetic air in a high voltage circuit breaker // J.Phys. D: Appl. Phys., No. 38, pp. 1795-1804, 2005. URL: https: //doi.org/10.1088/0022-3727/38/11/020

[35] Meijer S., Smit J.J., and Girodet A.. Comparison of the Breakdown Strength of N2, CO2 and SF6 using the Extended Up-and-Down Method // IEEE 8th International Conference on Properties & applications of Dielectric Materials, 2006. URL: https://doi.org/10.1109/ICPADM.2006.284262

[36] Zhong L., Wang J., Xu J., Wang X., and Rong M. Effects of Buffer Gases on Plasma Properties and Arc Decaying Characteristics of C4F7N-N2 and C4F7N-CO2 Arc Plasmas // Plasma Chemistry and Plasma Processing, No. 39, pp. 1379-1396, 2019. URL: https://doi.org/10.1007/s11090-019-10015-8

[37] General Electric Grid Solutions https://www.gegridsolutions.com/hvmv_equipment/catalog/g3/ (дата обращения: 30.04.2021).

[38] Клепарская Л.Г. Синхронизированные выключатели. - М., Энергия, 1973. - 112 с.

[39] Thomas R. Controlled switching of high voltage SF6 circuit breakers for fault interruption, Thesis for the degree of licentiate of engineering, 2004.

[40] Frind G., and Rich J. Recovery speed of axial flow gas blast interrupter: dependence on pressure and di/dt for air and SF6 // IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, PAS 93(5), pp. 1675-1684, 1974. URL: https://doi.org/10.1109/TPAS.1974.293900.

[41] Morita T., Iwashita M., and Nitta Y. A theoretical analysis of dynamic arcs and test results of model synchronous air blast circuit breakers // IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, PAS-97(3), pp. 940-949, 1978. URL: https://doi.org/10.1109/TPAS.1978.354567.

[42] Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - М.: Наука, 1992. - 536 с.

[43] Дресвин С.В., Иванов Д.В. Физика плазмы. - СПб.: Изд-во Политехн. унта, 2013. - 544 с.

[44] Брон О.Б., Сушков Л.К. Потоки плазмы в электрической дуге выключающих аппаратов. - Л.: Энергия, 1975. - 216 с.

[45] Залесский А.М. Электрическая дуга отключения. - Л.: Гос. Энергет. изд-во, 1963. - 267 с.

[46] Буткевич Г.В. Дуговые процессы при коммутации электрических цепей. - М.: Изд-во Высшая школа, 1967. - 196 с.

[47] Тонконогов Е.Н. Дугогасительные устройства выключателей высокого напряжения. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. - 204 с.

[48] Briggs A. Liquid SF6 Injection: a possible solution for the S.L.F. limiting phenomena of the gas blast circuit breaker // Proceedings of the 8th International Conference on Gas Discharges and their Applications, Oxford, pp. 43-46, 1985.

[49] Briggs A., and King L. Factors affecting thermal breakdown in gas blast interrupters // IEE Conf. Dev in Design and Performance, London, pp. 52-55, 1979.

[50] Frind G., and Rich J. Recovery speed of axial flow gas blast interrupter: dependence on pressure and di/dt for air and SF6 // IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, PAS 93(5), pp. 1675-1684, 1974. URL: https://doi.org/10.1109/TPAS.1974.293900.

[51] Garzon R.D. Rate of Change of Voltage and Current as Functions of Pressure and Nozzle Area in Breakers Using SF6 in the Gas and Liquid Phases // IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, PAS 95(5), pp. 1681-1688, 1976.

[52] Briggs A. The contribution of axial a radial components of gas velocity to the thermal interruption capability of a gas blast circuit breaker // Proceedings of the 7th International Conference on Gas Discharges and their Applications, UK, London, pp. 2831, 1982.

[53] Henry J.C., Passaquin J., Thuries E. Improved performance of gas-blast circuit-breakers // CIGRE, 13-09, Paris, 1972.

[54] Кукеков Г.А., Каплан В.В., Каплан Г.С., Шраменко А.В. К вопросу физического моделирования процессов дугогашения в выключателях с газовым дутьем // Электромеханика, 1980, № 3, с. 232-236.

[55] Каплан Г.С., Константинова И.И., Янчус Э.И. Исследование коммутационной способности дугогасительного устройства воздушного выключателя с применением методов физического моделирования // Труды ЛПИ, Ленинград. Сборник научных трудов, 1983, с. 61-64.

[56] Каплан В.В., Каплан Г.С., Кукеков Г.А., Шраменко А.В. Применение методов теории подобия для физического моделирования процессов дугогашения в выключателях с газовым дутьем // Труды ЛПИ, Ленинград. Сборник научных трудов, 1983, с. 64-69.

[57] Smeets R., Kertesz V., Nishiwaki S., and Suzuki K. Performance evaluation of high-voltage circuit breakers by means of current zero analysis // Proc. Trans. Distrib. Conf. Exhibit., pp. 424-429, 2002.

[58] Reichert F., Petchanka A. 3D CFD Arc Fault Simulation in Gas-Insulated Switchgears // Plasma Physics and Technology, 6(1): pp. 35-38, 2019. URL: https:// doi.org/10.14311/ppt.2019.1.35

[59] Murashov Yu. V., Frolov V.Ya., Ullandt D., Gortschakow S., Ivanov D.V., and Sivaev A.D. Analysis of arc processes in multi-chamber arrester for lighting protection at high-voltage overhead power lines // Plasma Physics and Technology, 4(2), pp. 124-128, 2017. URL: https://doi.org/10.14311/ppt.2017.1.79

[60] Крапошин М.В. Математическое моделирование сжимаемых течений с использованием гибридного метода аппроксимации конвективных потоков: дисс.канд.физ.-мат.наук / М., ИСП РАН, 2017. - 182 с. URL: http://keldysh.ru/council/3/D00202403/kraposhin_diss.pdf (дата обращения: 26.07.2020).

[61] Куракина Н.К. Численное исследование в программном пакете OpenFOAM газодинамических процессов в разрядной камере с подвижным электродом / Пинчук М.Э., Будин А.В., Смирновский А.А., Фролов В.Я. // Научно-

технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. - 2018. Т. 24 № 2, С. 69-81.

[62] Salome. Version 7.8.0. - URL: http://www.salome-platform.org/ (дата обращения: 30.04.2021).

[63] Paraview. - URL: http://www.paraview.org (дата обращения: 30.04.2021).

[64] Official OpenFOAM Repository. OpenFOAM. — URL: https://github.com/OpenFOAM/.../rhoCentralFoam/rhoCentralDyMFoam (дата обращения: 30.04.2021).

[65] Kurganov A., Tadmor E. New High-Resolution Central Schemes for Nonlinear Conservation Laws and Convection-Diffusion Equations // Journal of Computational Physics. Vol. 160, No. 1, pp. 241-282, 2000. - URL: https://doi.org/10.1006/jcph.2000.6459

[66] Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 152 с.

[67] Патанкар С. Численное решение задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течениях в каналах. - М.: МЭИ, 2003. - 312 с.

[68] Дресвин С.В., Иванов Д.В. Основы математического моделирования плазмотронов. Часть 1: Уравнение баланса энергии. Метод контрольного объема. Расчет температуры плазмы: Учеб. Пособие. - СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2004. - 227 с.

[69] Дресвин С.В., Иванов Д.В. Основы математического моделирования плазмотронов. Часть 2: Электромагнитные задачи в плазмотронной технике: Учеб. Пособие. - СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2006. - 296 с.

[70] Дресвин С.В., Нгуен Куок Ши, Иванов Д.В. Основы математического моделирования плазмотронов. Часть 3: Уравнение движения плазмы. Методика расчета скорости плазмы в плазмотронах: Учеб. Пособие. - СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2006. - 132 с.

[71] A. O. González. Mesh motion alternatives. CFD with OpenFOAM. -Göteborg (Sweden), 2009. URL:

http://www.tfd.chalmers.se/~hani/kurser/0S_CFD_2009/Andreu0liverGonzalez/Projec tReport_Corrected.pdf (дата обращения: 30.04.2021).

[72] Kurakina N. Analysis of the gas dynamics in the discharge chamber with a movable electrode / Pinchuk M., Budin A., Smirnovsky A. // Journal of Physics: Conference Series. - 1135 (1), p. 012094, 2018. URL: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1135/1/012094

[73] Куракина Н.К. Моделирование течения газа в разрядной камере при размыкании контактной системы / Пинчук М.Э., Будин А.В., Смирновский А.А., Кузнецов В.Е., Киселев А.А. // Известия высших учебных заведений. Физика. -2018. Т. 61. № 9-2 (729). С. 176-179

[74] Budin A. Experimental stand for investigations of insulator degradation and electrode erosion in high-current breaker / Pinchuk M., Leontev V., Leks A., Kurakina N., Kiselev A., Simakova Y., Frolov V. // Plasma Physics and Technology. - 2017. Vol. 4, No. 2 - pp. 120-123. URL: https://doi.org/10.14311/ppt.2017.2.120

[75] Будин А.В. Экспериментальный стенд для исследования дуговых и эрозионных процессов в высоковольтных сильноточных выключателях / Пинчук М.Э., Кузнецов В.Е., Леонтьев В.В., Куракина Н.К. // Приборы и техника эксперимента. - 2017. № 6. С. 61-66. URL: https://doi.org/10.7868/S0032816217060039

Версии: Budin A.V. An experimental setup for investigation of arc and erosion processes in high-voltage high-current breakers / Pinchuk M.E., Kuznetsov V.E., Leontev V.V., Kurakina N.K. // Instruments and Experimental Techniques. - 2017. Т. 60. № 6. С. 837-842. URL: https://doi.org/10.1134/S0020441217060033

[76] Swak4foam. - URL: http://openfoamwiki.net/index.php/Contrib/swak4F oam (дата обращения: 30.04.2021).

[77] Суперкомпьютерный центр Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. - URL: www.scc.spbstu.ru (дата обращения: 26.07.2020).

[78] Куракина Н.К. Экспериментальные и теоретические исследования сильноточной дуги в разрядной камере с продольным продувом газа / Пинчук

М.Э., Будин А.В., Смирновский А.А. // XII Международная научная конференция «Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики». - 2019. С. 8083.

[79] Pinchuk M. Axial Blast Type Discharge Chamber with Moving Electrode / Budin A., Kurakina N., Leks A. // Plasma Physics and Technology. - 2019. Vol. 6, No. 3 - pp. 227-230. URL: https://doi.org/10.14311/ppt.2019.3.227

[80] Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. В 2 ч. Ч. 1. - М.: Изд-во Наука, 1991. - 600 с.

[81] Kurakina N. Gas flow-switching arc interaction in HV synchronous gas blast interrupters / Frolov V., Tonkonogov E. // E3S Web of Conferences. - 2019. 140, p. 04016. URL: https://doi.org/10.1051/e3sconf/201914004016

[82] Kurakina N. Study of the stagnation region in HV gas-blast interrupters with synchronous gas injection / Frolov V., Tonkonogov E. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2019. Vol 643 (1), p. 012044. URL: https://doi.org/10.1088/1757-899X/643/1/012044

[83] Kurakina N. Formation of the Upstream Region in HV Gas Blast Interrupters with Synchronous Gas Injection / Frolov V., Tonkonogov E. // Plasma Physics and Technology. - 2019. Vol. 6, No. 1 - pp. 43-46. URL: https://doi.org/10.14311/ppt.2019.1.43

[84] Kinetic Technologies Ltd. http://www.kintech.ru (дата обращения: 30.04.2021).

[85] Capitelli, M., Colonna, G., Gorse, C. et al. Transport properties of high temperature air in local thermodynamic equilibrium // Eur. Phys. J. D. - 2000.- 11, pp. 279-289. URL: https://doi.org/10.1007/s100530070094

[86] Devoto R. S. Simplified Expressions for the transport properties of ionized monatomic gases // Phys. Fluids. - 1967. - V. 10. - No 10. - p. 2105-2112.

[87] Zatsarinny O., Bartschat K. and Tayal S.S. Low-energy elastic electron scattering by atomic oxygen // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. - 2006. - Vol. 39. - №5. - P. 1237 - 1249.

[88] Stepanek J. Electron and positron atomic elastic scattering cross sections//Radiation Physics and Chemistry. - 2003. - Vol. 66. - №2. - P. 99-116.

[89] Shayler P J and Fang M T C 1977 J. Phys. D: Appl. Phys. 10 1659, Maecker H 1956 Ann. Phys., Lpz. 18 441.

Приложение 1. Примеры заполнения управляющих файлов в OpenFOAM

_Листинг 1 Пример файла constant/blockMeshDict для создания двумерной сетки

convertToMeters 0.001;

vertices

(

(-20 0 -0.5) (0 0 -0.5) (0.2 0 -0.5) (-20 5 -0.5) (0 5 -0.5) (0.2 5 -0.5) (5.1 9 -0.5) (50 9 -0.5) (-20 10 -0.5) (0 10 -0.5) (0.2 10 -0.5) (5.1 10 -0.5) (50 10 -0.5) (-20 22.5 -0.5) (0 22.5 -0.5) (0.2 22.5 -0.5) (5.1 22.5 -0.5) (60 22.5 -0.5) (-20 27.5 -0.5) (0 27.5 -0.5) (0.2 27.5 -0.5) (5.1 27.5 -0.5) (60 27.5 -0.5) (-10 30 -0.5) (0 30 -0.5) (0.2 30 -0.5) (5.1 30 -0.5) (60 30 -0.5) (-10 51 -0.5) (0 51 -0.5) (0.2 51 -0.5) (5.1 51 -0.5) (60 51 -0.5) (-20 0 0) (0 0 0) (0.2 0 0) (-20 5 0) (0 5 0) (0.2 5 0) (5.1 9 0) (50 9 0) (-20 10 0) (0 10 0) (0.2 10 0) (5.1 10 0) (50 10 0) (-20 22.5 0) (0 22.5 0) (0.2 22.5 0) (5.1 22.5 0) (60 22.5 0) (-20 27.5 0) (0 27.5 0) (0.2 27.5 0) (5.1 27.5 0) (60 27.5 0)

(-10 30 0) (0 30 0) (0.2 30 0) (5.1 30 0) (60 30 0) (-10 51 0) (0 51 0) (0.2 51 0) (5.1 51 0) (60 51 0)

);

blocks (

hex (0 1 4 3 33 34 37 36) (40 10 1) simpleGrading (1 1 1)

hex (1 2 5 4 34 35 38 37) (50 10 1) simpleGrading (1 1 1)

hex (3 4 9 8 36 37 42 41) (40 10 1) simpleGrading (1 2 1)

hex (4 5 10 9 37 38 43 42) (50 10 1) simpleGrading (1 2 1)

hex (5 6 11 10 38 39 44 43) (30 10 1) simpleGrading (2 2 1)

hex (6 7 12 11 39 40 45 44) (80 10 1) simpleGrading (2 2 1)

hex (9 10 15 14 42 43 48 47) (50 25 1) simpleGrading (1 1 1)

hex (10 11 16 15 43 44 49 48) (30 25 1) simpleGrading (2 1 1)

hex (11 12 17 16 44 45 50 49) (80 25 1) simpleGrading (2 1 1)

hex (13 14 19 18 46 47 52 51) (40 10 1) simpleGrading (1 1 1)

hex (14 15 20 19 47 48 53 52) (50 10 1) simpleGrading (1 1 1)

hex (15 16 21 20 48 49 54 53) (30 10 1) simpleGrading (2 1 1)

hex (16 17 22 21 49 50 55 54) (80 10 1) simpleGrading (2 1 1)

hex (19 20 25 24 52 53 58 57) (50 5 1) simpleGrading 1 1 1)

hex (20 21 26 25 53 54 59 58) (30 5 1) simpleGrading 2 1 1)

hex (21 22 27 26 54 55 60 59) (80 5 1) simpleGrading 2 1 1)

hex (23 24 29 28 56 57 62 61) (20 42 1) simpleGrading (1 1 1)

hex (24 25 30 29 57 58 63 62) (50 42 1) simpleGrading (1 1 1)

hex (25 26 31 30 58 59 64 63) (30 42 1) simpleGrading (2 1 1)

hex (26 27 32 31 59 60 65 64) (80 42 1) simpleGrading (2 1 1)

);

edges (

arc 5 6 (0.7 6.8 -0.5) arc 38 39 (0.7 6.8 0)

);

boundary (

inlet {

type patch; faces (

(13 46 51 18) (0 33 36 3) (3 36 41 8)

);

}

walls {

type wall; faces (

(5 38 35 2) (6 39 38 5) (7 40 39 6) (12 45 40 7) (17 50 45 12) (22 55 50 17)

(27 60 55 22)

(32 65 60 27)

(30 63 64 31)

(31 64 65 32)

(29 62 63 30)

(28 61 62 29)

(23 56 61 28)

(24 57 56 23)

(19 52 57 24)

(18 51 52 19)

(14 47 46 13)

(9 42 47 14)

(8 41 42 9)

);

}

axis {

type symmetryPlane; faces (

(2 35 34 1) (1 34 33 0)

);

}

);

mergePatchPairs (

Листинг 2 Пример файла system/snappyHexMeshDict для создания трехмерной сетки _рабочей области_

castellatedMesh true; snap true;

addLayers false;

geometry {

regionSTL.stl {

type triSurfaceMesh;

regions {

inlet movingWalls walls

{ name inlet; }

{ name movingWall; } { name staticWall; }

slipWalls { name slipWall; }

}

refinement1 {

type point1 point2 radius

}

};

castellatedMeshControls

searchableCylinder; (0 0 0); (0 0 1); 0.05;

patch; }} wall; }}

maxLocalCells 20000000; maxGlobalCells 10000000; minRefinementCells 0; nCellsBetweenLevels 2; features (

{

file "eMeshl.obj"; level 3;

refinementSurfaces {

regionSTL.stl

{

level (0 0)

regions {

inlet

{ level (1 2); patchlnfo { type

movingWalls { level (2 2); patchlnfo { type

walls { level (2 2); patchlnfo { type wall; }}

slipwalls { level (2 2); patchlnfo { type wall; }}

}

}

resolveFeatureAngle 60;

refinementRegions {

regionSTL.stl {

levels ((1 2) mode inside;

}

refinement1

{

}

mode inside; levels ((1E15 3)

}

locationlnMesh (0.0 0.0 0.0); allowFreeStandingZoneFaces false;

}

snapControls {

nSmoothPatch 4; tolerance 3.6; nSolvelter 180; nRelaxIter 6; nFeatureSnaplter 5; implicitFeatureSnap false; explicitFeatureSnap true; multiRegionFeatureSnap false;

}

{

}

addLayersControls {

relativeSizes false;

layers {

fixedWalls {

nSurfaceLayers 2;

}

slipWalls {

nSurfaceLayers 2;

}

}

expansionRatio 1.2; finalLayerThickness 0.001; minThickness 0.00005; nGrow 0;

featureAngle 100; nRelaxIter 8; nSmoothSurfaceNormals 6; nSmoothNormals 8; nSmoothThickness 10; maxFaceThicknessRatio 0.8; maxThicknessToMedialRatio 0.6; minMedianAxisAngle 90; nMedialAxislter 4; nBufferCellsNoExtrude 0; nLayerIter 50; nRelaxedIter 20;

}

meshQualityControls {

#include "meshQualityDict"

relaxed {

maxNonOrtho 75;

}

nSmoothScale 4; errorReduction 0.75;

}

writeFlags (

scalarLevels layerSets layerFields );

mergeTolerance 1e-6;

Листинг 3 Пример файла system/controlDict для подключения библиотеки swak4foam

application rhoCentralDyMFoam;

startFrom startTime;

startTime 0;

stopAt endTime;

endTime 0.01;

deltaT 1e-06;

writeControl adjustableRunTime;

writelnterval 1e-4; purgeWrite 0;

writeFormat binary;

writePrecision 6; writeCompression off; timeFormat general;

timePrecision 6; runTimeModifiable true; adjustTimeStep yes; maxCo 0.2;

maxDeltaT 1;

libs (

"libgroovyBC.so"

Листинг 4 Пример программируемых граничных условий в файле 0/pointMotionU* при использовании библиотеки swak4foam

dimensions [0 1 -1 0 0 0 0];

internalField uniform 0;

boundaryField {

movingWall {

type groovyBC;

valueExpression "toPoint(valV*)"; variables (

);

value uniform 0;

slipWall

type slip;

"(inlet|staticWall).*"

type uniformFixedValue;

uniformValue constant 0;

}

Листинг 5 Пример программируемых граничных условий в файле 0/cellMotionU* при использовании библиотеки swak4foam

dimensions [0 1 -1 0 0 0 0];

internalField uniform 0;

boundaryField {

movingWall {

type groovyBC;

value uniform 0;

valueExpression "toFace(pointMotionU*)";

}

slipWall {

type } } slip;

inlet r

{ type fixedValue;

value uniform 0;

} staticWall r

{ type fixedValue;

value i uniform 0;

} }

Листинг 6 Пример граничных условий для скорости в файле 0/U

dimensions internalField boundaryField { inlet r [0 1 -1 0 0 0 0]; uniform (0 0 0);

{ type } pressurelnletOutletVelocity;

} movingWall {

{ type value i movingWallVelocity; uniform (0 0 0);

} "(slipWall|staticWall).*" i

i type } } noSlip;

Листинг 7 Пример граничных условий для давления в файле 0/p

dimensions

[1 -1 -2 0 0 0 0];

internalField uniform 1e5;

boundaryField {

inlet {

type psi gamma p0

value

U }

"(movingWall|staticWall|slipWall).*" {

type zeroGradient;

value $internalField;

}

}

totalPressure;

thermo:psi;

1.4;

uniform 50e5; uniform 50e5; U;

_Листинг 8 Пример граничных условий для температуры в файле 0/T

dimensions [0 0 0 1 0 0 0];

internalField uniform 300;

boundaryField {

inlet {

type totalTemperature;

value uniform 300;

T0 uniform 300;

rho none;

psi thermo:psi;

gamma 1.4;

}

"(movingWall|slipWall|staticWall).*" {

type zeroGradient;

}

}

Листинг 9 Пример файла system/setFieldsDict для формирования зоны высокого давления _50 атм на границе рабочей области_

defaultFieldValues (

volScalarFieldValue p 1e5

);

regions (

boxToCell {

box (0.0 0.0 0.0) (0.1 0.1 0.1); fieldValues (

volScalarFieldValue p 50e5

);

}

Листинг 10 Пример файла constant/thermophysicalProperties для установления физических _свойств газовой среды (воздуха)_

thermoType {

type hePsiThermo;

mixture pureMixture;

transport const;

thermo hConst;

equationOfState perfectGas; specie specie;

energy sensiblelnternalEnergy;

}

mixture {

specie

{ nMoles 1;

molWeight т. } 2 8.9;

thermodynamics { {

Cp 1007;

Hf т. 2.544e+06;

} transport { {

mu 1e-5;

Pr 0.7;

} }

Листинг 11 Пример управляющего файла constant/dynamicMeshDict для движения сетки

dynamicFvMesh dynamicMotionSolverFvMesh; motionSolverLibs ( "libfvMotionSolvers.so" ); solver velocityComponentLaplacian x;

velocityComponentLaplacianCoeffs {

component x;

diffusivity directional ( 1 1500 0 );

}

Листинг 12 Пример управляющего файла system/dynamicMeshDict для декомпозиции

сетки

numberOfSubdomains 28;

method simple;

simpleCoeffs

{

n (7 4 1);

delta 0.001;

}

hierarchicalCoeffs

{

n (1 1 1);

delta 0.001;

order xyz;

}

manualCoeffs

{

dataFile it it. r

}

distributed no;

roots ( );

Листинг 13 Пример управляющего файла system/fvSchemes при построении численных

схем дискретизации

fluxScheme Kurganov;

ddtSchemes {

default

Euler;

Gauss linear;

none;

Gauss linear;

}

gradSchemes {

default

}

divSchemes {

default

div(tauMC) }

laplacianSchemes {

default Gauss linear corrected;

laplacian(diffusivity,cellMotionU*) Gauss linear uncorrected;