液态金属(GaInSn)限流器的数值模拟.doc

液态金属(GaInSn)限流器的数值模拟 卢学山1, 2 张敏1 王国华2 张钧波1 1南京理工大学动力工程学院，南京(210094) 2中石化金陵分公司热电联合车间, 南京(210033) 摘 要：在一种故障电流限制器中，充有镓铟锡（GaInSn）液态金属。利用ANSYS商业软件，采用有限元方法（FEM）（GaInSn）(GaInSn) 温度场 CFD Numerical Simulating the Liquid Metal （GaInSn）in Fault Current Limiter Xueshan LU1, 2 Min ZHANG1 Guohua WANG2 and Junbo ZHANG1 1School of Power Engineering, Nanjing University of Science Tech., Nanjing (210094) 2SINOPEC. Jin Ling Petrochemical Corporation Thermal Power Plant, Nanjing (210033) ABSTRACT: A fault current limiter was filled with the liquid metal (GaInSn). By using commercial software ANSYS, the simulation method of temperature and magneto-fluid fields in the fault current limiter was presented with the Finite Element Method (FEM). Discuss how flows work in the fault current limiter. The results of the studying and researching coincide with that of the experiments. KEY WORDS: ANSYS, liquid metal (GaInSn), temperature fields, CFD. 引言 液态金属故障电流限制器是近年来流行的一种限流器，具有限流效果显著、结构简单和故障后自动恢复等优点。镓-铟-锡（GaInSn）限流器已逐步所取代汞（Hg）限流器[1-2]。 德国MOELLER公司提出了镓-铟-锡（GaInSn）液态金属限流器的设计理念[2]。图1为限流器模型的剖面图。内部充有空气，目的是减小分断过程中容器内的压力。镓-铟-锡室温下呈液态。当镓、铟、锡组分的比例为62.5％、21.5％、16％时，熔点为10.7℃[3]。 图1 限流器模型剖面和截面图 本文借助ANSYS软件作为分析工具，对限流器内液态金属（GaInSn）1 温度场数值模拟 11 温度场 因为液态金属GaInSn材料的密度、电阻率、热传导系数随温度变化，所以为非线性热分析，热平衡矩阵方程为： (1.1) 其中，为密度；为比热容；为温度；为时间；为热流矢量；为体积单元生热率；；为热量传递速度矢量。 由傅立叶定律得到热传导率表达式， (1.2) 其中，为热传导率矩阵。由式（1.1）和式（1.2）可得， (1.3) 1 实物模型不是轴对称结构。为简化计算，在不影响的前提下，取限流器局部区域简化为轴对称。图为简化后的GaInSn限流器温度场模型，其中=m，=m，=m，= m。图为温度场计算区域的网格。 图GaInSn限流器温度场分析模型 图计算区域网格 绝缘外壁的物性参数为[2]：密度：；热传导系数：；比热容：。GaInSn的物性参数如表1所示[]： 表1 GaInSn的物性参数 温度 293 323 373 423 473 523 573 密度 6620 6540 6480 6440 6400 6360 6280 热传导率 31 35 39 42 45 47 49 电阻率 0.28 0.288 0.302 0.316 0.33 0.3438 0.3584 比热容 343 沸点温度 2353 在温度场，3ms的热辐射影响很小，因此只考虑热传导和对流换热。热边界条件为： 1、在处，周期对称，为绝热边界，属于第二类边界条件，热流量为零； 2、在处，轴对称，为绝热边界，属于第二类边界条件，热流量为零； 3、在及处，为对流换热边界，属于第三类边界条件，换热系数，环境温度。 1 ANSYS中的PLANE67单元为热-电耦合单元。求解采用了直接耦合法，同时施加电边界约束和热边界约束。 图 GaInSn限流器1.8ms温度等值线图 图 GaInSn限流