可視化仿真技術(shù)是綜合計(jì)算機(jī)圖象學(xué)、圖象處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、人機(jī)交互技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)嶄新的技術(shù)領(lǐng)域。本文研究了這種新技術(shù)在低壓電器中的應(yīng)用。根據(jù)低壓斷路器開斷時(shí)電弧的物理過程，建立了以磁流體動(dòng)力學(xué)MHD為基礎(chǔ)的電弧模型及以熱擊穿為主的背后擊穿物理模型。把這種仿真算法和三維可視化技術(shù)結(jié)合起來，對(duì)低壓斷路器開斷過程中的電弧運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了可視化仿真研究。

　　1、概述

    可視化仿真是90年代嶄新的技術(shù)領(lǐng)域。它是涉及計(jì)算機(jī)圖象學(xué)、圖形處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)視覺及人機(jī)交互技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)嶄新的技術(shù)領(lǐng)域。在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，可視化仿真或科學(xué)計(jì)算可視化被定義為對(duì)科學(xué)計(jì)算或仿真計(jì)算所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化加工或三維圖形和動(dòng)畫顯示，并可通過交互的改變參數(shù)來視察計(jì)算結(jié)果的全貌及其變化。由于科學(xué)計(jì)算可視化對(duì)各門學(xué)科和工程技術(shù)的發(fā)展有極其重要的意義及實(shí)用價(jià)值，因而這種技術(shù)在它一開始出現(xiàn)就得到人們的極大重視。

    實(shí)現(xiàn)科學(xué)計(jì)算的可視化具有多方面的重要意義。它可以大大加快數(shù)據(jù)的處理速度，使龐大的數(shù)據(jù)得到有效的利用；能把不能或不易觀察到的工程現(xiàn)象變?yōu)槭谷藗兡馨l(fā)現(xiàn)并理解被設(shè)計(jì)和被研究對(duì)象所產(chǎn)生的物理機(jī)理，從而提出改進(jìn)設(shè)計(jì)的具體措施；可以實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算過程的引導(dǎo)和控制，通過圖形交互手段可方便快速的改變?cè)O(shè)計(jì)和計(jì)算的原始數(shù)據(jù)和條件，并通過三維圖形或動(dòng)畫來顯示和觀察改變?cè)紨?shù)據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)和研究對(duì)象基本特性的影響，來達(dá)到對(duì)象優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。來源:輸配電設(shè)備網(wǎng)

    低壓電器的滅弧室一般由器壁形成一個(gè)小室，電弧開斷過程在滅弧室內(nèi)進(jìn)行，并且時(shí)間很短，很難用肉眼進(jìn)行觀察，特別是要定量地掌握和了解滅弧室內(nèi)如電弧溫度、離子濃度、氣體壓力，氣流速度等物理參數(shù)變化，則難度更大。近年來，由于磁流體動(dòng)力學(xué)（MHD）數(shù)值分析的進(jìn)展，使人們依靠電弧的物理數(shù)學(xué)模型來模擬低壓電器開斷過程成為可能，如果把這種仿真算法和三維可視化技術(shù)結(jié)合起來，則可使滅弧室內(nèi)電弧的開斷過程在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來，讓人們觀察到電弧在滅弧室內(nèi)運(yùn)動(dòng)情況，以及溫度，流場(chǎng)等分布和變化情況，這對(duì)今后低壓電器滅弧室的設(shè)計(jì)有重大意義。

    目前圖形及計(jì)算機(jī)技術(shù)得到極大的發(fā)展，使在微機(jī)上進(jìn)行三維空間可視化仿真成為可能。本文以磁流體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，綜合流場(chǎng)、電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)等計(jì)算，建立低壓斷路器開斷電弧的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。在Windows98平臺(tái)上用VisualC++語言編制，利用基于Windows98的三維圖形模塊，形成了友好的人機(jī)界面，對(duì)開斷中電弧的運(yùn)動(dòng)在三維空間進(jìn)行顯示，對(duì)溫度，氣流等參數(shù)以圖形可視化方式表示，實(shí)現(xiàn)了低壓斷路器開斷的可視化仿真軟件系統(tǒng)。

    2、低壓斷路器開斷電弧的數(shù)學(xué)模型

    斷路器中的開斷電弧滿足下列方程。質(zhì)量連續(xù)性方程

　　動(dòng)量守恒方程

    F:質(zhì)量力； v：速度；

    P：壓力；

    能量方程

　　ρ：密度；h:焓；T：溫度（K）；t:時(shí)間（s）;K：熱傳導(dǎo)系數(shù)；s：熱源項(xiàng)

    在每一層每個(gè)單元的電流密度是：

　　其中G是電導(dǎo)，電導(dǎo)率由這一層元i,k的溫度決定。

    電弧輻射所發(fā)射出的能量是：

    QR=A.ε.K.（T4-T40）

    A：表面積；ε：輻射率；K：玻爾茲曼輻射常數(shù)；T：溫度；T0：周圍溫度；

　　磁場(chǎng)中的電弧等離子體受到磁場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)：

　　電弧等離子體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，受到磁場(chǎng)對(duì)它的作用力，與流體運(yùn)動(dòng)的方向相反，阻止流體的運(yùn)動(dòng)。

    3、電弧開斷過程可視化仿真

    可視化被定義為對(duì)科學(xué)計(jì)算或仿真計(jì)算所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化加工或三維圖形和動(dòng)畫顯示。本文研制的低壓斷路器開斷的三維可視化仿真軟件，系在Windows98平臺(tái)上用VisualC++語言編制，利用基于系統(tǒng)的三維圖形模塊，在三維空間以動(dòng)畫方式顯示的開斷過程中電弧的運(yùn)動(dòng)情況，并繪出仿真計(jì)算的開斷電壓電流波形。