本發(fā)明涉及斷路器有限元計(jì)算，尤其涉及用于大電流開斷電弧仿真求解的時間步長配合方法。

背景技術(shù)：

1、在大容量斷路器開斷電流的電弧仿真中，湍流是所要考慮的一個重要問題。湍流是流體的一種較為復(fù)雜的流動，隨著流體的流速增大，層流可能轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，這時流體的運(yùn)動變得復(fù)雜、混亂。湍流流動對斷路器開斷電弧的研究至關(guān)重要，其形成的各種漩渦能夠使電弧變得不穩(wěn)定并且改變電弧形狀，還對電弧的能量傳輸有影響。

2、湍流本身雖然復(fù)雜，但是在湍流模型的計(jì)算方法研究中，能夠發(fā)現(xiàn)湍流也遵循一些基本的量化特點(diǎn)。目前在求解湍流模型方法中，主要有直接與非直接數(shù)值模擬法。直接數(shù)值模擬法在研究中能夠捕捉細(xì)微的湍流結(jié)構(gòu)，不依賴于其他湍流模型和經(jīng)驗(yàn)公式，減少了模型誤差適用于深入分析。但是其計(jì)算成本非常高，對計(jì)算機(jī)的內(nèi)存、存儲和運(yùn)算速度的要求都極高，在實(shí)際應(yīng)用中受到限制，因此在工程研究中應(yīng)用較多的依然是非直接數(shù)值模擬法，主要包括兩種常見的模型：雷諾平均納維-斯托克斯(rans)模型和大渦模擬(les)方法。大渦模擬法在時間和空間上分離出大尺度渦旋和小尺度渦旋，大尺度渦旋通過n-s方程直接模擬，而小尺度湍流則通過亞格子模型(subgrid?scale?model,sgs)來近似。大渦模擬法在求解過程中盡管比直接數(shù)值模擬的計(jì)算需求低，但仍然需要高性能計(jì)算資源來滿足對處理能力、內(nèi)存、存儲和網(wǎng)絡(luò)的要求。rans法對計(jì)算資源要求較低，并且在工程實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)取得較好的效果，其中標(biāo)準(zhǔn)k-e雙方程模型是湍流模型中最經(jīng)常被應(yīng)用的。但k-e模型需要同時求解兩個偏微分方程，對于梯度極大的流場收斂性和計(jì)算精度較差

3、因此，為了提高斷路器的設(shè)計(jì)精度和性能，本發(fā)明提出了一種有限元仿真的多物理場求解時間步長配合方法，該方法考慮了電弧燃燒過程中出現(xiàn)湍流的情況，針對該現(xiàn)象需要根據(jù)電流大小和湍流強(qiáng)度來確定求解的時間步長。通過這種綜合仿真，可以更準(zhǔn)確地評估斷路器的性能和安全性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出了本發(fā)明。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案，用于大電流開斷電弧仿真求解的時間步長配合方法，包括：建立斷路器開斷過程的電弧磁流體計(jì)算模型；進(jìn)行第一步仿真后得到電弧、流場的特征值，根據(jù)電弧溫度判斷得到電弧的平均寬度與最寬處尺寸；根據(jù)電弧平均寬度，電弧最寬處尺寸，計(jì)算第一湍流系數(shù)；根據(jù)得到的第一湍流系數(shù)計(jì)算第一時間步長；設(shè)置時間步長為第一時間步長、并將迭代步設(shè)置為1開始下一步仿真，得到當(dāng)前時刻后第一個迭代步電弧、流暢的特征值，根據(jù)電弧溫度判斷得到電弧的平均寬度與最寬處尺寸；定義當(dāng)前時刻后第一迭代步的電弧平均寬，電弧最寬處尺寸，計(jì)算得到第二端流系數(shù)；根據(jù)得到的第二端流系數(shù)計(jì)算第二時間步長；根據(jù)第一時間步長和第二時間步長計(jì)算當(dāng)前時刻最終需要時間步長設(shè)置值。將得到值設(shè)置為時間步長，迭代步取合理值進(jìn)行仿真，后續(xù)步驟相同，每個時間步計(jì)算完成后，都計(jì)算下一步的時間步長進(jìn)行設(shè)置仿真。

3、作為本發(fā)明所述的用于大電流開斷電弧仿真求解的時間步長配合方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述電弧磁流體計(jì)算模型包括，進(jìn)行仿真前模型設(shè)置處理，完成電弧仿真前各邊界條件的設(shè)置；

4、設(shè)置最初時間步小于等于5×10-6s開始仿真。

5、作為本發(fā)明所述的用于大電流開斷電弧仿真求解的時間步長配合方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述計(jì)算第一湍流系數(shù)表示為，

6、

7、其中，kt表示為第一端流系數(shù)，dmax,n,t表示為電弧最寬處尺寸，daverage,n,t表示為電弧平均寬度。

8、作為本發(fā)明所述的用于大電流開斷電弧仿真求解的時間步長配合方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述計(jì)算第一時間步長表示為，

9、

10、其中，tstep,prediction表示為第一時間步長。

11、作為本發(fā)明所述的用于大電流開斷電弧仿真求解的時間步長配合方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述計(jì)算得到第二端流系數(shù)表示為，

12、

13、其中，kt+1表示為第二端流系數(shù)，dmax,1,t+1表示為當(dāng)前時刻后第一個迭代步的電弧平均寬度，daverage,1,t+1表示為當(dāng)前時刻后第一個迭代步的電弧最寬處尺寸。

14、作為本發(fā)明所述的用于大電流開斷電弧仿真求解的時間步長配合方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述計(jì)算第二時間步長表示為，

15、

16、其中，tstep,prediction表示為第二時間步長。

17、作為本發(fā)明所述的用于大電流開斷電弧仿真求解的時間步長配合方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述當(dāng)前時刻最終需要時間步長設(shè)置值表示為，

18、tstep,t+1＝tstep,prior+0.2×(tstep,prior-tstep,prediction)

19、其中，tstep,t+1表示為當(dāng)前時刻最終需要時間步長設(shè)置值。

20、本發(fā)明的另外一個目的是提供用于大電流開斷電弧仿真求解的時間步長配合系統(tǒng)，電弧模型構(gòu)建模塊為斷路器開斷過程提供了精確的數(shù)學(xué)模型，有助于深入理解電弧的物理特性并為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論支持，確保了仿真結(jié)果的可靠性和實(shí)用性。特征值提取模塊則快速準(zhǔn)確地識別電弧和流場的關(guān)鍵參數(shù)，提高了仿真結(jié)果的可解釋性和可比性。初始湍流系數(shù)計(jì)算模塊為仿真提供了初始湍流特性的量化指標(biāo)，增強(qiáng)了模型對實(shí)際湍流現(xiàn)象的描述能力，提高了流場計(jì)算的準(zhǔn)確性。初始步長計(jì)算模塊確保了仿真在初始階段的穩(wěn)定性和收斂性，避免了計(jì)算發(fā)散。迭代仿真啟動模塊實(shí)現(xiàn)了仿真過程的自動化，通過迭代計(jì)算逐步逼近電弧的真實(shí)行為，提高了精確度。迭代特征分析模塊實(shí)時監(jiān)測電弧特征變化，為仿真參數(shù)調(diào)整提供反饋，有助于識別電弧行為的動態(tài)變化。流系數(shù)更新模塊通過捕捉流場變化，提高了仿真的動態(tài)響應(yīng)能力。時間步長優(yōu)化模塊動態(tài)調(diào)整時間步長，平衡了計(jì)算效率和精度，減少了資源消耗，保證了仿真結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，提高了仿真過程的靈活性和適應(yīng)性。

21、作為本發(fā)明所述的用于大電流開斷電弧仿真求解的時間步長配合系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，包括，電弧模型構(gòu)建模塊、特征值提取模塊、初始端流系數(shù)計(jì)算模塊、初始步長計(jì)算模塊、迭代仿真啟動模塊、迭代特征分析模塊、流系數(shù)更新模塊、時間步長優(yōu)化模塊。

22、一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲有計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時實(shí)現(xiàn)用于大電流開斷電弧仿真求解的時間步長配合方法中任一項(xiàng)所述的方法的步驟。

23、一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時實(shí)現(xiàn)用于大電流開斷電弧仿真求解的時間步長配合方法中任一項(xiàng)所述的方法的步驟。

24、通過上述公式和推導(dǎo)，本發(fā)明的迭代計(jì)算方法考慮了大容量斷路器開斷電流時，大電流產(chǎn)生的電弧和湍流強(qiáng)度對電弧的影響。在多物理場作用下斷路器開斷電流的有限元仿真求解過程中考慮到渦流出現(xiàn)所帶來的影響，需要進(jìn)一步計(jì)算出更加精確的時間步長來配合仿真求解。這一技術(shù)方案提高了湍流模型的收斂性和準(zhǔn)確性，隨著迭代次數(shù)的增加，計(jì)算結(jié)果會趨于真實(shí)解。同時在本發(fā)明的配合下，湍流模型能夠更準(zhǔn)確地描述流體隨機(jī)且復(fù)雜的運(yùn)動，這對電弧行為的分析非常重要，并且收斂的湍流模型能夠與其他物理場模型有效耦合，提供可靠的綜合分析和預(yù)測能力，對斷路器整體設(shè)計(jì)、優(yōu)化和工程應(yīng)用有著重要意義。

25、本發(fā)明的有益效果：

26、1)提高模型的收斂性：本方法根據(jù)當(dāng)前電流和湍流強(qiáng)度動態(tài)調(diào)整時間步長，使得在湍流強(qiáng)度較高或電流變化劇烈時，縮小時間步長，增加計(jì)算精度，從而減少大梯度流場的影響，從而提高收斂性。電流由仿真中給定電流波形表達(dá)式結(jié)合當(dāng)前時間獲得；湍流強(qiáng)度在本專利中通過湍流系數(shù)表征，湍流系數(shù)越大湍流強(qiáng)度越大。根據(jù)左側(cè)計(jì)算公式，電流變化越劇烈則得到湍流系數(shù)越大，將較大湍流系數(shù)帶入時間步長計(jì)算公式，得到更小的時間步。

27、2)提高模型精度：本方法引入了迭代求解時間步長方法，根據(jù)湍流強(qiáng)度計(jì)算更小的時間步長，從而更準(zhǔn)確地捕捉到流場特性，提供更高精度的解。根據(jù)湍流系數(shù)求時間步即通過湍流強(qiáng)度調(diào)整時間步長大小。由于湍流下流場變化劇烈，更小時間步即更高的采樣率下能獲得更準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。

28、3)更好的處理非線性問題：更精細(xì)的時間步長可以更好地捕捉到電弧的非線性特征，減少非線性效應(yīng)引起的數(shù)值誤差，降低截?cái)嗾`差，使解更接近真實(shí)解。更小的時間步下計(jì)算得到的電弧特征值，如溫度、電導(dǎo)率等更精細(xì)，減少了忽略劇烈變化導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確的可能性，相應(yīng)誤差就更小。

29、4)有利于改進(jìn)設(shè)計(jì)和性能評估：通過更準(zhǔn)確的仿真，工程師可以進(jìn)行更好的設(shè)計(jì)優(yōu)化和性能評估。這有助于提高高壓開關(guān)系統(tǒng)的可靠性、安全性和效率。評估計(jì)算是指通過該技術(shù)對電弧仿真的時間步設(shè)置優(yōu)化后得到的更準(zhǔn)確的仿真結(jié)果：如更準(zhǔn)確的零前電導(dǎo)、弧后電壓特性等，根據(jù)這些結(jié)果能夠幫助斷路器優(yōu)化與設(shè)計(jì)。