计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的方法及系统，包括：1)对气体分子进行结构优化；2)计算分子的路径；3)对于局部热力学平衡态的电弧等离子体，利用密度泛函理论计算路径中涉及粒子的熵，焓，比热；4)利用吉布斯自由能最小化方法或质量作用定律求解局部热力学平衡态电弧等离子体组分；5)对于化学非平衡态电弧等离子体，运用变分过渡态理论计算路径中化学反应速率；6)利用动力学模型求解化学非平衡态电弧等离子体的组分；本发明专利技术提出了一种计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的方法，针对气体电弧等离子体可能的两种状态的等离子体组分进行计算，为电弧的磁流体仿真提供数据基础。流体仿真提供数据基础。流体仿真提供数据基础。

【技术实现步骤摘要】
计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的方法及系统


[0001]本专利技术属于电气绝缘介质
，涉及一种计算化学非平衡效应下电弧等 离子体组分的方法及系统。

技术介绍

[0002]六氟化物(SF6)的优良的绝缘强度和灭弧性能在高压电力设备中应用充当 灭弧介质。SF6的环境问题日益突出，已被《京都议定书》列为6种排放受限制 的温室气体之一。因此，寻找SF6替代气体是当前急需解决的问题。在电力开关 设备中，系统短路故障发生时，对高压断路器中电弧的特性评估有实验测量和仿 真计算两种方法。实验方面，测量电弧电压和电弧电流等宏观物理量并对其展开 分析。仿真计算方面，利用磁流体(MHD)模型对电弧特性进行仿真计算，而 电弧等离子体的基本热物理和电物理参数(粒子组分，热力学属性，辐射系数和 输运系数)是仿真计算的基础。而电弧等离子体组分的计算是热力学属性，辐射 系数和输运系数等参数计算的基础。
[0003]局部热力学平衡态的电弧等离子体，电弧内部电子、离子和中性粒子具有相 同的温度，整个系统处于化学平衡态，各种物性参数仅仅与温度和压强有关。化 学非平衡态电弧等离子体通常是位于电弧的边缘区域、电弧的起弧阶段或电弧温 度较低的区域。
[0004]目前研究是计算局部热力学平衡态下气体电弧等离子体组分。在电弧等离子 体中，分解、电离、复合、吸附等化学反应的速率是有限的，当化学反应的弛豫 时间小于物理运动的特征时间时，等离子体则达到局部化学平衡状态，否则处于 非化学平衡状态。由于非化学平衡态的存在，原有的统计物理学方法无法准确描 述等离子体的粒子分布和内部过程，而需要对每个粒子建立既包含化学反应过程 又包含物理过程的控制方程，从而使得建模和计算难度大大增加。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种计算化学非平衡效应下 电弧等离子体组分的方法及系统。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1，对气体分子进行结构优化；
[0009]步骤2，计算分子的路径；
[0010]步骤3，对于局部热力学平衡态的电弧等离子体，利用密度泛函理论计算路 径中涉及粒子的熵、焓以及比热；
[0011]步骤4，利用吉布斯自由能最小化方法或质量作用定律求解局部热力学平衡 态电弧等离子体组分；
[0012]步骤5，对于化学非平衡态电弧等离子体，运用变分过渡态理论计算路径中 化学反应速率；
[0013]步骤6，利用动力学模型求解化学非平衡态电弧等离子体的组分。
[0014]本专利技术进一步的改进在于：
[0015]所述步骤2计算分子的解离、电离、吸附路径及自由基之间，正负离子之间， 自由基与离子之间，分子与自由基或离子之间的重组过程；
[0016]通过计算分子的键能，确定最可能断裂的化学键，通过势能面扫描计算生成 的粒子。
[0017]所述步骤4采用Saha方程和Guldberg
‑
Waage方程求解局部热力学平衡态电 弧等离子体组分。
[0018]一种计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的系统，包括：
[0019]第一计算模块，用于计算分子的解离、电离、吸附路径及自由基之间，正负 离子之间，自由基与离子之间，分子与自由基或离子之间的重组过程；
[0020]第二计算模块，用于计算局部热力学平衡态下电弧等离子体；
[0021]第三计算模块，用于计算化学非平衡态下电弧等离子体。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0023]本专利技术提出了计算局部热力学平衡态下和化学非平衡态下气体电弧等离子 体组分的方法。传统方法通常假设电弧等离子体中可能存在的粒子，并假设电弧 等离子体处在局部热力学平衡态条件下，然而，在电弧燃弧阶段或者熄弧阶段， 化学反应的弛豫时间大于物理运动的特征时间，等离子体处于非化学平衡状态， 不满足局部热力学平衡态假设。本专利技术首先计算了分子的解离、电离、吸附路径 及自由基之间，正负离子之间，自由基与离子之间，分子与自由基或离子之间的 重组过程。计算拟合了过程中涉及到的粒子热力学参数以及动力学参数。基于动 力学仿真模型计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分，从而为电弧磁流体仿真 提供数据基础，为电力设备中的电弧特性评估提供指导。
附图说明
[0024]为了更清楚的说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用 的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此 不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳 动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0025]图1为本专利技术方法的流程图；
[0026]图2为本专利技术实施例C4F7N解离及自由基重组过程示意图；其中(a)为C4F7N 解离路径；(b)为自由基重组过程；
[0027]图3为本专利技术实施例C5F
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O解离及自由基重组过程示意图；其中(a)为 C5F
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O解离路径；(b)为自由基重组过程；
[0028]图4为本专利技术实施例CF2和CF3的定压比热计算值与NIST数据库的对比图； 其中(a)为CF3与NIST数据库的对比；(b)为CF2与NIST数据库的对比；
[0029]图5为本专利技术实施例C4F7N的局部热力学平衡态下电弧等离子体组分随温度 的变化图；
[0030]图6为本专利技术实施例C5F
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O的局部热力学平衡态下电弧等离子体组分随温 度的变化图；
[0031]图7为本专利技术实施例C4F7N分解反应的速率常数随温度的变化图；
[0032]图8为本专利技术实施例C5F
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O分解反应的速率常数随温度的变化图；
[0033]图9为本专利技术实施例中在2000K下，C4F7N化学非平衡态电弧等离子体组分 随时间的变化图；
[0034]图10为本专利技术实施例中在1000K下，C5F
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O化学非平衡态电弧等离子体组 分随时间的变化图；
[0035]图11为本专利技术实施例C4F7N化学非平衡态电弧等离子体组分随温度的变化 图；
[0036]图12为本专利技术实施例C5F
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O化学非平衡态电弧等离子体组分随温度的变化 图。
具体实施方式
[0037]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实 施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所 描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中 描述和示出的本专利技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0038]因此，以下对在附图中提供的本专利技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求 保护的本专利技术的范围，而是仅仅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，对气体分子进行结构优化；步骤2，计算分子的路径；步骤3，对于局部热力学平衡态的电弧等离子体，利用密度泛函理论计算路径中涉及粒子的熵、焓以及比热；步骤4，利用吉布斯自由能最小化方法或质量作用定律求解局部热力学平衡态电弧等离子体组分；步骤5，对于化学非平衡态电弧等离子体，运用变分过渡态理论计算路径中化学反应速率；步骤6，利用动力学模型求解化学非平衡态电弧等离子体的组分。2.根据权利要求1所述的计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的方法，其特征在于，所述步骤2计算分子的解离、电离、吸附路径及自由基之间，正负离子之间，自由基与离子之间，分子与...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈力，张博雅，李兴文，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：