全局磁场作用下多组份真空电弧三维特性研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51877164
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0705.高电压与放电
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Vacuum arc characteristics and its magnetic field control is critical for the interruption characteristics of vacuum interrupters. In the actual axial magnetic field (AMF) electrode, vacuum arc is controlled by global magnetic fields (GMF), which includes AMF and radial magnetic field generated by electrode system, azimuthal magnetic field generated by vacuum arc, and also transverse magnetic field generated by external bus-bar, not only AMF. The interaction among GMF and multi-component arc column plasma, electrode process, liquid droplet is very significant. In this project, self-consistent model with consideration of bidirectional coupling between GMF and vacuum arc behavior will be established, and related experimental verification will be conducted. Based on the simulation and related experiments, the evolution law of vacuum arc and liquid droplets subjected to GMF will be researched. At first, GMF calculation model of electrode system with consideration of arc deformation is established. Then, self-consistent model with consideration of bidirectional coupling between GMF and three dimensional vacuum arc characteristics will be established, and its numerical solution method will be studied. The above vacuum arc should include the interaction between electrode process (cathode spots distribution and anode vapor), liquid droplet and arc column plasma. Then, based on the above model, 3d vacuum arc under different GMF conditions will be simulated, and the evolution law of vacuum arc temperature, liquid droplet velocity, density of plasma species, electrode erosion, arc voltage, and other parameters will be researched. At the same time, the special experiments will be designed to research micro-parameters of vacuum arc subjected to GMF, and experimental results will be used to verify the simulation results. Based on the research of this project, the evolution law and its physical mechanism of vacuum arc characteristics subjected to GMF will be disclosed, and it also can supply theoretical support for the development of vacuum interrupters towards large-capacity, miniaturization, and higher-voltage class.
真空电弧特性及其磁场控制对真空开关的开断性能十分关键。在实际的纵磁电极中,真空电弧处于电极系统产生纵向、径向、电弧自生旋向磁场及外部母线产生横向磁场并存的全局磁场作用之下,而并非单纯的纵向磁场。全局磁场与多组份弧柱、液滴、电极过程之间的相互作用明显。本项目通过建模仿真及实验验证的方法,研究全局磁场下多组份真空电弧和液滴特性的演变规律。先建立电弧形变及外电路条件下电极系统的全局磁场模型;再建立全局磁场与多组份真空电弧三维特性(含电极过程、液滴与弧柱的相互作用)双向耦合的自洽模型,研究其数值求解方法;并对不同全局磁场下的真空电弧进行仿真,研究电弧温度、液滴速度、等离子体组份密度、电极烧蚀、电弧电压等参数的变化规律;同时,设计实验,研究全局磁场下的真空电弧微观特性,并对仿真进行验证。通过研究,掌握全局磁场下真空电弧特性的演变规律与物理机制,为真空开关向大容量、小型化及高电压等级发展提供理论借鉴。

结项摘要

真空电弧特性及其磁场控制对真空开关的开断性能十分关键。在实际的纵磁电极中,真空电弧处于电极系统产生纵向、径向、电弧自生旋向磁场及外部母线产生横向磁场并存的全局磁场作用之下,而并非单纯的纵向磁场。全局磁场与多组份弧柱、液滴、电极过程之间的相互作用明显。本项目首先建立了全局磁场下真空电弧的三维多组分磁流体动力学模型,计算了不同纵磁触头的空间磁场分布,然后仿真分析了电弧的特性参数和组分分布,仿真结果表明杯状纵磁触头产生的磁场更均匀,对于线圈式触头,线圈匝数越大,纵磁对电弧收缩的抑制越明显;其次,建立了考虑阳极蒸汽的多组分真空电弧模型,当阳极温度较高时,阳极蒸汽将进入电弧中,形成一个低温低电导的区域,该区域的大小取决于阴极侧等离子体压力和阳极射流压力的平衡,该仿真结果与实验结果吻合较好;进一步建立了考虑阳极模式和触头打开过程的多组分真空电弧三维仿真模型,对全局磁场下的电弧组分分布以及其他等离子体参数特性进行了仿真研究,仿真结果表明,由于阳极蒸气以及纵向磁场的存在,等离子体温度更低,尤其是中性原子蒸汽区内,同时,在大尺寸电极条件下,阳极蒸汽很难进入弧柱;采用全局磁场仿真与大电流真空电弧实验相结合的方法研究了触头系统全局磁场分布对电弧特性的调控作用及对阳极特性的影响。本项目建立了阴极斑点烧蚀以及液滴形成的三维热力学模型,并开展了相关仿真研究。基于粒子模拟的方法,仿真分析了横向磁场和纵向磁场作用下弧后等离子体的扩散过程。在本项目资助下共培养6名博士生、9名硕士生,在Applied Physics Letters 等权威期刊发表论文44篇(其中特色论文、封面论文2篇,综述论文2篇)、国际会议论文8篇(大会特邀报告1次),获国家发明专利3项,软件著作权3项。获英国物理学会(IOP)出版集团2019年度和2020年度中国高被引作者奖(前1%)。博士生杨泽第29届真空放电与电气绝缘的国际会议(2021年)唯一CHATTERTON杰出青年奖,4名硕士生获西安交通大学优秀硕士论文。通过该项目研究,掌握了全局磁场下真空电弧特性的演变规律与物理机制,为真空开关向大容量、小型化及高电压等级发展提供了理论借鉴。

项目成果

期刊论文数量(36)
专著数量(0)
科研奖励数量(4)
会议论文数量(1)
专利数量(3)
Magnetohydrodynamic modeling and simulation of a vacuum arc plasma jet with a ring anode under different external magnetic fields
不同外磁场下环形阳极真空电弧等离子体射流的磁流体动力学建模与仿真
  • DOI:
    10.1080/17415977.2016.1264148
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Journal of Physics D: Applied Physics
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Zhefeng Zhang;Lijun Wang;Ze Yang;Jieli Chen;Hexiao Gao
  • 通讯作者:
    Hexiao Gao
Numerical investigation on the influence of circuit breaker structure parameters on vacuum arc behaviors
断路器结构参数对真空电弧行为影响的数值研究
  • DOI:
    10.1088/1361-6463/abc9e5
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Journal of Physics D: Applied Physics
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Zhao Lihua;Gou Hangyuan;Yang Mengjie;Hong Guo;Bai Xueyan;Huang Xiaolong;Ren Junwen;Ning Wenjun;Wang Lijun
  • 通讯作者:
    Wang Lijun
Experimental Investigation on Anode Spots and Anode Plumes in High-Current Vacuum Arc Under Different Contact Materials
不同触头材料下大电流真空电弧阳极斑点和阳极羽流的实验研究
  • DOI:
    10.1109/tps.2020.2979498
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    IEEE Transactions on Plasma Science
  • 影响因子:
    1.5
  • 作者:
    Chao Yan;Lijun Wang;Tuo Zhang;Jiahao Zhang;Kai Wang;Shenli Jia
  • 通讯作者:
    Shenli Jia
Improved model for cathode spot crater in vacuum arc
真空电弧阴极点弧坑的改进模型
  • DOI:
    10.1088/1361-6463/aaeac0
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Journal of Physics D: Applied Physics
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Zhang Xiao;Wang Lijun;Ma Jinwei;Wang Yuan;Jia Shenli
  • 通讯作者:
    Jia Shenli
Study of vacuum arc plasma transport characteristics during the DC interrupting process
直流开断过程中真空电弧等离子体输运特性研究
  • DOI:
    10.1088/1361-6463/ac49b7
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Journal of Physics D: Applied Physics
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Xiaolong Huang;Tao Sun;Yuezheng Wu;Shangyu Yang;Lihua Zhao;Yiduo Xie;Wenjun Ning;Lijun Wang
  • 通讯作者:
    Lijun Wang

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其他文献

六角相NaYF4纳米粒子的合成及粒子尺寸对Tb3+,Er3+下转换效率的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
    发光学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王鹏程;刘春旭;赵海峰;骆永石;王立军;WANG Peng-cheng1;2;LIU Chun-xu1;ZHAO Hai-feng1;LUO;2.University of Chinese Academy of Sciences;Beijin
  • 通讯作者:
    Beijin
卷取工艺对新型冷轧无取向电工钢热轧带组织的影响
  • DOI:
    10.1051/epjconf/201715306026
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    热加工工艺
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    胡冠桥;曾燕屏;陈海林;王立军;HU Guanqiao1;ZENG Yanping1;CHEN Hailin1;WANG Lijun;2.National Engineering Research Center for Advance
  • 通讯作者:
    2.National Engineering Research Center for Advance
Synthesis and evaluation of P(AM-b-DADMAC) as fixative for dissolved and colloidal substances
P(AM-b-DADMAC) 溶解和胶体物质固定剂的合成与评价
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    Journal of Applied Polymer Science
  • 影响因子:
    3
  • 作者:
    王立军
  • 通讯作者:
    王立军
光泵浦垂直外腔面发射激光器的结构优化设计
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    红外与激光工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王立军;梁雪梅;李军;路国光;秦莉;何春凤;宁永强
  • 通讯作者:
    宁永强
用于碱金属蒸汽激光器泵浦的窄线宽780 nm半导体激光源
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    发光学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    田景玉;张俊;彭航宇;王威;雷宇鑫;王立军
  • 通讯作者:
    王立军

其他文献

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AI技术路线图

王立军的其他基金

三电极触发型真空开关关键阶段放电过程的模型与实验研究
  • 批准号:
    52377157
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    50 万元
  • 项目类别:
    面上项目
考虑实际触头材料、外部磁场以及阳极活跃条件下真空电弧特性的理论和计算机仿真研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2019
  • 资助金额:
    13 万元
  • 项目类别:
    国际(地区)合作与交流项目
触发型真空开关电弧演变行为研究
  • 批准号:
    U1630135
  • 批准年份:
    2016
  • 资助金额:
    60.0 万元
  • 项目类别:
    联合基金项目
纵磁下真空全开断过程中弧柱等离子体与电极作用的模型与实验研究
  • 批准号:
    50907045
  • 批准年份:
    2009
  • 资助金额:
    20.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似国自然基金

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  • 批准号:
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  • 批准年份:
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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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