《球隙开关的冷却气体流场分析及优化设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《球隙开关的冷却气体流场分析及优化设计（66页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、华中科技大学硕士学位论文 I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
2、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
3、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。 关键词：球隙火花开关，气体冷却，流场分析，FLUEN
4、T华中科技大学硕士学位论文 IIAbstract As a high- velocity and high- current switching device, the spark gap switch has been widely used in the high- power pulse systems, in which the requirement of high voltage, high repetition rate, low jitter and short delay time is always required. However, sometimes, prefire
5、 happens because of the remaining heat and charged particles, which worsens the reliability of the spark gap switch. Applying gas flow is generally considered as a simple and effective method to impede the prefire. The performances of the spark gap switch, especially the reliability, are significant
6、ly influenced by the gas, gas pressure, flow rate, flow field distribution and so on. For the gas, gas pressure, flow rate of the gas, there are a large amount of researches related on the influence of these parameters on the characteristics to the switch. However, there are no literatures reporting
7、 the research on the flow field distribution of the gas, gas flow state till now. Firstly, this thesis theoretically analyses the effect of the cooling gas on the characteristics of the spark gap switch. Then the reliability of the switch is experimentally measured. Based on the experimental results
8、, a conclusion that prefire happens for the switch even blowing high gas flow is drawn. This is believed to be caused by the lack of optimization design. After that, a widely used commercial CFD software- FLUENT is used to simulate and analyze the flow field and distribution of inner velocity of the
9、 cooling gas. How to build and mesh the geometry modeling of the spark gap switch with Gambit is disclosed. Standard kmodel and 3 dimensional steady flow are utilized in the simulation. From the simulations, it can be found that the flow field near the two main electrodes is a comparative parallel f
10、low, but circumfluence and vortex exist in dead corner. These simulated results will greatly help to analyze the effect of the cooling gas on the performances of the switch, optimize the structure design and improve the performance of the switch. Based on the analysis of the results, a series of str
11、uctural optimization are carried out. The effects of structural parameters, such as the distance from the nozzle to the center of the electrodes, the shape of the nozzle and the angle between inlets and outlets have been 华中科技大学硕士学位论文 IIIstudied, and the results are given. In order to further improve
12、 the uniformity of velocity distribution near the electrodes and to make the gas expel from the switch easily, a method of smoothing and enlarging the outlet is proposed. The simulated results show that this method can improve the uniformity of the velocity distribution near the electrodes and minis
13、h the circumfluence. Furthermore, the effects of three gas passages and single passage are also analyzed in this thesis, the result shows that the export velocity of gas increases although the velocity fluctuation still exists, which is beneficial to the stability of the switch. Keywords: spark gap
14、switch, gas cooling, flow field, FLUENT 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将
15、本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华中科技大学硕士学位论文 11 绪论 1.1 课题背景、目的及意义 1.1.1 课题来源 随着国民经济的发展, 对脉冲功率技术提出了更高的要求，各种脉冲功率技术在军事和民用领域获得了广泛的应用。而重复频率脉功率技术是当前脉冲功率技术发展的重要方向。特别是对于高能脉冲TEA CO2激光器，由于其单脉冲能量大、脉宽窄、峰值功率高以及
16、光电转换效率高等特点，在工业加工、医疗、军事、科学测量等领域有广泛的应用。在现代工业，特别是军事应用中的激光推进、空间碎片检测与清除、光电对抗等前沿应用领域，希望得到更高的单脉冲能量和更窄的脉宽。对于这些高功率重复运行的脉冲功率装置, 大电流高电压开关是一项关键性的技术1。 而球隙气体火花放电开关由于其工作电压高, 转换电荷量大, 结构简单等诸方面的优点, 所以被广泛用于各种脉冲功率装置中2。 国内对于高能量放电开关的研究虽然起步较晚，但是由于近几年的广泛重视，开关的性能也有极大改进，关于球隙开关的研究也较多。但是目前国内现有的高压大电流开关还是无法满足高重复频率高能量的 TEA CO2激光器的要求。其中一个重要的原因就是这些球隙开关在高压大电流重复率运行时可靠性不高，易产生不受控制的提前导通，即未达到设定的工作电压，触发脉冲尚未到达，球隙开关就自行导通。 所以，如何进一步改善球隙开关的工作特性，特别是可靠性，是当今球隙开关研究的一个重要方面。 1.1
