Lichtbogensimulationen in Hochspannungsschutzeinrichtungen
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Institut für Energietechnik – Hochschule für Technik LICHTBOGENSIMULATIONEN IN HOCHSPANNUNGSEINRICHTUNGEN Mario Mürmann Inhaltsverzeichnis n Physik eines Lichtbogens n Mathematik eines Lichtbogens n Materialmodelle n Simulationsumgebung n Anwendung und Resultate 2 Lichtbogenphysik Physik von Lichtbögen n «Strom durch Gas» n Plasmaphysik n Hohe Temperaturen n Hohe Drücke n Gasdynamik n Turbulenz n Chem. Zusammensetzung n Wärmestrahlung 3 Lichtbogenphysik Simulationsansatz n Kopplung von CFD und elektromagn. Simulation n Thermodynamik bestimmt die elektr. Leitfähigkeit n Ohmsche Wärme und Lorentzkraft sind Quellterme für CFD n Weitere Kopplungen sind denkbar, z.B. Strukturmechanik für Gehäuse 4 Mathematischer Ansatz Navier-Stokes-Gleichungen CFD-Simulation n Gasdynamik n Turbulente Strömung n Chem. Zusammensetzung n Wärmestrahlung 5 Mathematischer Ansatz Navier-Stokes-Gleichungen CFD-Simulation n Gasdynamik n Turbulente Strömung n Chem. Zusammensetzung n Wärmestrahlung 6 Mathematischer Ansatz Maxwell-Gleichungen Elektromagnetische Simulation n Leitfähiges Gas (Plasma) n Stromfluss n Spannunsabfall n Ohmsche Verluste n (externe Magnetfelder) 7 Mathematischer Ansatz Maxwell-Gleichungen Elektromagnetische Simulation n Leitfähiges Gas (Plasma) n Stromfluss n Spannunsabfall n Ohmsche Verluste n (externe Magnetfelder) 8 Mathematischer Ansatz Elektromagnetische Simulation CFD-Simulation 9 Mathematischer Ansatz Elektromagnetische Simulation CFD-Simulation 10 Mathematischer Ansatz Elektromagnetische Simulation CFD-Simulation 11 Materialparameter n Quelle: Kloc, P., Aubrecht, V., Bartlova, M., Coufal, O.: ”Radiation transfer in air and air-Cu plasmas for two-temperature profiles”, Journal of Physics D: Applied Physics, 2015, 48-61. 12 Materialparameter n Quelle: Cressault, Y., Gleizes, A., Riquel, G.:”Properties of air-aluminum thermal plasmas”, Journal of Physics D: Applied Physics, 2012, 45-57. 13 Materialparameter n Quelle: Kloc, P., Aubrecht, V., Bartlova, M., Coufal, O.: ”Radiation transfer in air and air-Cu plasmas for two-temperature profiles”, Journal of Physics D: Applied Physics, 2015, 48-61. 14 Physikalische Modellierung Physikalische Modellierung Weitere Modelle n Plasmachemie durch n Kontaktabbrand Materialparameter berücksichtigt n Evtl. Gehäuseerosion n Verschiedene Strahlunsmodelle n Mixture Model in CFD nicht möglich notwendig n … n Gute Interpolation notwendig (Splines) n Konvergenzverhalten stark von Interpolation abhängig 15 Simulationsumgebung CFD-Simulation Elektromagnetische Simulation n ANSYS Fluent n ANSYS EMAG n Transiente Simulation n Transiente oder stationäre n Benutzerdefinierte Funktionen (UDFs) n In Interpolationsroutinen Simulation n Elektrischer Schaltkreis möglich Simulationsumgebung 17 Simulationsumgebung 18 Simulationsumgebung 19 Simulationsumgebung Simulationsumgebung n Hohe Flexibilität und gutes Handling durch MpCCI n Viele potentielle Fehlerquellen durch Dateiverwaltung n Abhilfe durch GUI n Integrales Tool wünschenswert 20 Anwendungsbeispiel Energieabfuhr Blitzeinschlag 21 Anwendungsbeispiel Energieabfuhr Blitzeinschlag 22 Anwendungsbeispiel Simulationsmodell Teil eines Blitzschutzgerätes 23 Anwendungsbeispiel Strömung Strom Spannung 24 Anwendungsbeispiel Externe Schaltung Modell 25 Anwendungsbeispiel Temperatur und elektrische Leitfähigkeit im Modell 26 Anwendungsbeispiel Massendichte und Geschwindigkeit im Schnitt 27 Anwendungsbeispiel 28 Anwendungsbeispiel 29 Anwendungsbeispiel 30 Anwendungsbeispiel 31 Vielen Dank Mario Mürmann Institut für Energietechnik Hochschule für Technik Rapperswil Oberseestrasse 10 CH-8640 Rapperswil [email protected] 32
