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球隙开关的冷却气体流场分析及优化设计

叶忠祥  
【摘要】: 球隙火花放电开关作为一种高电压、大电流的开关装置广泛应用在各种高能量脉冲器件中,这就要求开关必须能工作在高电压、高重复频率、低抖动、低时延的状态。但是,由于开关导通时产生的热量和残余带电粒子,使得球隙开关发生不受控制的提前放电,严重地影响了开关的可靠性。在通常情况下,对流冷却(吹气)是一种非常简单有效的方法。球隙开关内部气体压力、气体种类、气流量大小、气体流场分布以及气体流动状态,都会对开关性能如延时抖动特别是可靠性造成很大影响。关于内部气体压力、流动气体种类、气流量大小等对球隙开关性能的影响已有较多研究,而关于球隙开关内部冷却气体流场分布情况以及它们与结构的关系至今鲜有报道。 本论文首先从球隙开关的放电基本原理出发,分析了气体冷却在开关中的作用,通过实验检验了球隙开关的可靠性,得出了由于缺少优化,开关即使在高速气流的作用下,在高电压大电流高频率运行时仍有时会产生不受控制的提前放电的结论。然后利用现在应用广泛的计算流体动力学软件FLUENT,对球隙开关气体流场进行了数值模拟分析,得到其内部的流场分布。重点介绍了采用Gambit进行球隙火花开关的几何建模和划分网格,采用k ?ε双方程湍流模型,在定常、三维条件下用FLUENT计算了球隙开关内部流场分布情况。通过模拟可以看出,开关内部主电极附近的流场是比较平行的流动,但是在出口死角部分存在回流和旋涡。这对于了解气体冷却在放电开关中的作用,优化放电开关的结构设计,提高开关的工作性能具有重要作用。 此外论文还在上述结果分析的基础上,对开关结构进行了一系列的优化。比较了不同几何结构如喷嘴离开关电极的远近、喷嘴形状、进出气通道之间的夹角等情况下流场的分布状况,指出了其优劣。为了进一步改善放电区附近流速分布的均匀性,以及让气流更好地排出,提出了对开关的出口进行圆滑扩大,结果表明在一定程度上改善了电极附近的流速分布,减小了回流。另外计算结果也表明,在使用三个喷嘴的情况下,虽然电极附近的流速波动较大,但能加快气流的排出速度,有利于开关稳定性。


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