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

基于模型与实验两种手段，通过研究纵磁控制下全开断过程中弧柱与电极的相互作用，进一步深入研究真空电弧的内部物理过程。首先，采用光谱诊断法，测试阴极侧等离子体参数以及电流密度的分布，为弧柱模型提供边界条件；其次，分别建立阴极过程模型、弧柱的二维和三维瞬态磁流体动力学模型以及阳极熔化、蒸发、熔池流散、旋转模型；再次，建立耦合阴极和阳极过程的真空电弧瞬态模型（二维和三维情况），分析阴极斑点、弧柱以及阳极蒸汽之间的相互作用；然后，建立耦合燃弧过程的弧后等离子体鞘层扩散模型；最后，实验验证模型的正确性，采用光谱法（如斯塔克和多普勒展宽）和探针法测试弧柱区等离子体参数；通过设计相互隔离的环状阳极测试阳极电流密度分布；通过高速摄影机观测电弧形态、阳极活动以及阴极斑点分布；采用电流零区测试系统测试弧后电流,并与仿真结果对比。该研究不仅发展了真空电弧理论，而且可以为真空电弧在不同领域的应用提供理论借鉴。

本项目基于模型和实验两种手段，通过研究纵磁控制下真空全开断过程中弧柱与电极的相互作用，来进一步理解真空电弧的内部物理过程。首先，采用光谱诊断和环状电极的方法测试了阴极侧等离子体参数和电流密度分布，为真空电弧二维和三维模型的建立提供了边界条件；在以上实验研究和综合评估等离子体参数方面测量结果的基础上，建立了考虑阴极过程与阳极过程的真空电弧二维与三维的瞬态磁流体动力学模型，仿真结果表明，阴极等离子体过程会显著影响电弧特性，阳极蒸汽对真空电弧具有冷却作用；通过仿真研究，深入理解了真空电弧中弧柱与电极过程的相互作用机理；其次，通过大量实验，研究了大电流真空电弧条件下的阳极烧蚀以及熔池旋转现象，并进行了定量研究，进一步针对这一现象进行了阳极熔化、蒸发、流散过程的二维和三维建模仿真研究；实验研究结果表明，杯状纵磁触头在大电流条件下会出现旋转的烧蚀现象；同时，真空电弧会在外部母线产生磁场的作用下产生偏烧现象，而这一现象会对真空开关的极限开断产生很大影响，本项目也对该现象进行了建模仿真，并在后续的工作中进一步研究；再次，通过高速摄影技术对真空电弧中阴极斑点分布、弧柱形态以及阳极现象进行了大量观测研究；本项目还通过建模仿真与实验验证两种手段，研究了不同磁场分布与强度对大电流真空电弧形态演变过程的影响，以进一步发展真空电弧基础理论并指导真空开关设计；最后，建立了真空电弧弧后等离子体的扩散过程模型，以燃弧过零附近的等离子体参数作为初始条件，正在进行仿真研究，并与后续的测量结果或已有实验结果进行对比。总之，本项目取得的具体成果有:(1) 建立了真空电弧的二维、三维瞬态数学模型，并得到了相应的仿真结果，研究了高频真空电弧特性；(2) 建立了考虑阳极熔化、流动、蒸发、冷却的瞬态二维、三维模型；将弧柱等离子体模型与阴极斑点分布以及阳极热过程模型进行了有效耦合；(3) 实验发现了纵磁下阳极熔池的旋转现象；采用环状电极测试了阴极侧的电流密度分布。结合该项目的研究，培养博士4名(已毕业2名)，硕士6名(已毕业3名)，在国际学术期刊、国际会议及国内核心期刊上发表论文24篇，其中被SCI收录17篇、EI收录6篇，获国家科技进步二等奖1项(排名：5)；教育部自然科学一等奖1项(排名：4)，软件注册权登记1项；项目负责人及主要参加者参加了本领域的第24、25届ISDEIV国际会议。