前言
第1篇 气体动力学基础
第1章 气体动力学基本知识
1.1 流体的主要物理特性
1.1.1 流体的压缩性
1.1.2 气体的黏性
1.1.3 气体的导热性
1.2 气体动力学的研究范畴
1.2.1 连续介质假设
1.2.2 完全气体假设
1.3 气体的热力学特性及其关系式
1.3.1 气体的基本状态参数
1.3.2 气体的状态方程
1.3.3 热力学第一定律:内能、焓和比热容
1.3.4 热力学第二定律:熵
1.4 声速、马赫数
1.4.1 微弱扰动传播过程与传播速度、声速
1.4.2 声速公式
1.4.3 马赫数
参考文献
第2章 气体的一维定常流动
2.1 气体一维定常流动的基本方程组
2.1.1 连续方程
2.1.2 动量方程
2.1.3 能量方程
2.1.4 气体状态方程
2.2 气体的一维定常等熵流动
2.2.1 一维等熵流动方程组
2.2.2 一维等熵流动的三种特定状态
2.2.3 一维等熵气流参数的各种常用关系式
2.3 气流参数与管道截面积的关系
2.3.1 截面积变化对各气流参数的影响
2.3.2 一维等熵流的面积比公式
2.4 气流流道的性能参数
2.4.1 喷管的排气速度
2.4.2 喷管的排气流量
2.5 喷管的流动特性
2.5.1 收缩喷管
2.5.2 拉伐尔喷管
2.5.3 拉伐尔喷管流动状态的计算
2.6 膨胀波、压缩波与激波——超声速流中的扰动波
2.6.1 膨胀波
2.6.2 压缩波
2.6.3 激波的性质
2.6.4 正激波的运算
2.6.5 斜激波的运算
参考文献
第3章 高压SF6断路器气流场数学模型及其性质
3.1 数学预备知识
3.1.1 物理场
3.1.2 标量场的梯度
3.1.3 矢量场的散度
3.1.4 矢量场的旋度
3.1.5 Hamilton算子
3.2 矢量及指标表达式
3.2.1 自由指标
3.2.2 求和指标
3.2.3 δij符号
3.2.4 εijk符号
3.2.5 矢量及其运算的指标表述
3.3 张量分析初步
3.3.1 坐标变换下的标量与矢量
3.3.2 张量的定义
3.3.3 并矢张量与矢量场梯度
3.3.4 张量运算
3.4 流体力学基本原理
3.4.1 物质坐标与空间坐标
3.4.2 流体质点的随体导数
3.4.3 速度的分解与变形速度张量
3.4.4 流体的涡旋运动
3.4.5 流体内部应力的描述
3.5 流体力学的基本方程式
3.5.1 连续方程
3.5.2 动量方程
3.5.3 能量方程
3.5.4 本构方程
3.5.5 气体状态方程
3.6 欧拉方程
3.7 轴对称坐标下的N-S方程
3.7.1 连续方程
3.7.2 动量方程
3.7.3 能量方程
3.8 对流体力学守恒型与非守恒型方程组的讨论
3.8.1 N-S方程的守恒形式
3.8.2 N-S方程的非守恒形式
3.9 无量纲形式的N-S方程
3.10 流体力学控制方程组的数学性质
3.10.1 偏微分方程的适定性
3.10.2 初始条件和边界条件
3.10.3 偏微分方程的分类方法
3.11 湍流方程
3.11.1 湍流流动特性
3.11.2 湍流模型
参考文献
第2篇 高压SF6断路器灭弧室气流场的数值计算方法
第4章 有限差分法基本理论及数学性质
4.1 模型方程及其差分近似
4.1.1 模型方程
4.1.2 模型方程的差分近似
4.1.3 显式差分格式与隐式差分格式
4.2 差分方程的相容性
4.2.1 截断误差
4.2.2 相容性的定义
4.2.3 局部截断误差
4.3 线性差分格式的Lax定理
4.3.1 数值计算的收敛性
4.3.2 差分方程稳定性要求
4.3.3 相容与稳定条件下必然收敛
4.4 差分方程的稳定性及分析方法
4.4.1 不稳定现象
4.4.2 差分格式的稳定性分析
4.5 几种常用的差分格式及其稳定性分析
4.5.1 扩散方程的几种差分格式
4.5.2 双曲型方程的几种差分格式
4.6 离散方程的物理特性
4.6.1 离散方程的守恒性
4.6.2 离散方程的扩散特性和迁移特性
4.6.3 离散方程的假扩散性
4.7 双曲型方程差分离散近似中的逆风效应与迎风修正
4.7.1 一阶迎风格式
4.7.2 二阶迎风格式
4.8 数值耗散与数值频散
4.8.1 差分方程的修正方程
4.8.2 数值耗散与数值频散及其判别方法
参考文献
第5章 高压SF6断路器气流场数值计算的总变差减小格式
5.1 激波的捕捉
5.1.1 激波拟合法
5.1.2 数值求解法
5.2 NND格式
5.3 总变差减小格式
5.3.1 总变差及其减小条件
5.3.2 TVD格式的构成
5.3.3 一阶精度TVD格式
5.3.4 二阶精度TVD格式
5.4 高压SF6断路器气流场数值计算的总变差减小格式
5.4.1 高压SF6断路器气流场N-S方程组
5.4.2 二维k-ε湍流模型方程
5.4.3 控制方程的有限体积TVD格式离散
5.4.4 边界层区域控制方程的离散
5.5 数值计算实例
5.5.1 SF6断路器气流场数值计算中关键问题的处理
5.5.2 无载开断下灭弧室气流场的数值计算
参考文献
第6章 非定常可压缩流动数值计算的流体网格法
6.1 欧拉方程在流体网格法中过渡量的离散格式
6.2 流体网格法的计算步骤
6.3 边界条件的处理
6.4 激波的处理
6.5 任意多边形网格的欧拉方程差分格式——流体网格法的推广
6.5.1 控制方程的积分形式
6.5.2 轴对称坐标系下欧拉方程组的差分格式
6.6 小容性电流开断下高压SF6断路器灭弧室气流场的计算实例
6.6.1 数值计算相关问题的处理
6.6.2 数值计算实例
6.6.3 不同时刻灭弧室内气流的流速分布
6.6.4 不同时刻灭弧室内气流的等马赫数分布
6.6.5 激波的存在
6.7 非定常可压缩黏性流数值计算的流体网格两步法
6.8 黏性气流流体网格法数值计算实例
参考文献
第7章 高压SF6断路器气流场数值计算的边界元方法
7.1 无黏流动的控制方程
7.2 控制方程的边界元法基本解
7.2.1 定常条件下控制方程的基本解
7.2.2 定常条件下能量方程基本解的标准椭圆化
7.2.3 非定常流动条件下控制方程的基本解
7.3 高压SF6断路器气流场数值计算的虚边界元法数学模型的建立
7.3.1 流场问题的方差泛函及场量的虚边界元方程
7.3.2 虚边界方程的离散数学模型
7.4 数值计算实例
7.4.1 虚边界元法数值计算验证
7.4.2 无载开断不同行程下灭弧室马赫数分布及其分析
参考文献
第8章 灭弧室气流场数值计算的有限体积-多重网格法
8.1 有限体积法的基本概念
8.1.1 有限体积法的通用变量方程
8.1.2 有限体积法的基本思想
8.1.3 网格几何要素的标记
8.1.4 有限体积法的特点
8.2 一维稳态对流-扩散问题的有限体积法
8.2.1 计算网格的生成
8.2.2 离散方程的建立
8.3 二维对流-扩散问题的有限体积法
8.4 差分格式
8.4.1 网格的Peclet数
8.4.2 对差分格式的要求
8.4.3 中心差分格式
8.4.4 一阶迎风格式
8.4.5 混合差分格式
8.4.6 二阶迎风格式
8.4.7 QUICK格式
8.5 工程问题数值计算的多重网格法
8.5.1 多重网格法概述
8.5.2 多重网格法的收敛性
8.5.3 多重网格法的格式
8.5.4 非线性方程的全近似格式
8.5.5 多重网格法的循环准则
8.6 贴体网格的生成
8.6.1 贴体网格生成概述
8.6.2 椭圆型微分方程法生成贴体网格
8.6.3 计算平面上的控制方程
8.7 计算平面上控制方程的有限体积法离散
8.7.1 交错网格技术
8.7.2 应用交错网格对计算平面上控制方程的有限体积法离散
8.8 离散方程组的求解
8.8.1 三对角矩阵的算法
8.8.2 线分布迭代计算
8.8.3 计算平面上控制方程的多重网格法
8.9 边界条件的处理
8.9.1 入口边界条件
8.9.2 出口边界条件
8.9.3 固壁边界条件
8.10 数值计算实例
8.10.1 分域边界的数值耦合
8.10.2 灭弧室气流场数值计算
参考文献
第3篇 高压SF6断路器介质强度恢复特性的数值模拟
第9章 介质强度恢复的基本理论
9.1 介质击穿机理
9.1.1 汤逊理论
9.1.2 流注理论
9.2 实际系统中击穿电压的估算
9.2.1 流注理论法
9.2.2 临界场强法
9.2.3 SF6断路器中气体的击穿判据
参考文献
第10章 压气式SF6断路器运动特性的数值计算
10.1 断路器液压操动机构的发展概况
10.2 液压操动机构的机构动力学模型
10.2.1 半液压式操动机构动力学模型
10.2.2 断路器触头行程特性
10.2.3 全液压式机构动力学模型
10.3 高压SF6断路器无载开断运动特性的数值计算
10.3.1 无载分闸过程研究的意义
10.3.2 半液压式SF6断路器无载开断运动特性计算
10.3.3 252kV全液压式SF6断路器无载开断运动特性计算
参考文献
第11章 无载开断介质恢复特性数值模拟的有限元-流体网格法
11.1 研究无载开断介质恢复特性的意义
11.2 电场数值计算的有限元法基本原理
11.2.1 电场分布的数学模型及其等价变分问题
11.2.2 有限元剖分及分片插值与基函数
11.2.3 252kVSF6断路器灭弧室电场的有限元法数值计算
11.3 数值模拟实例
参考文献
第12章 无载开断介质恢复特性数值模拟的有限元-总变差减小方法
12.1 电场的数值计算
12.1.1 灭弧室场域剖分
12.1.2 550kVSF6断路器灭弧室电场有限元数值计算结果与分析
12.1.3 不同喷口结构下灭弧室电场数值计算与分析
12.2 开断过程灭弧室气体压力和密度的数值计算
12.3 数值模拟实例
参考文献
第13章 无载开断介质恢复特性数值模拟的虚边界元法
13.1 轴对称电场边界元数值计算的基本解
13.2 电场数值计算的虚边界元法
13.2.1 虚边界元法的构思
13.2.2 轴对称场的虚边界元法数学模型的建立
13.2.3 电场问题虚边界元数学模型的离散
13.2.4 电场数值计算
13.3 灭弧室压力场和密度场的虚边界元法数值计算
13.4 数值模拟实例
参考文献
第14章 无载开断介质恢复特性的有限体积-多重网格法数值模拟
14.1 电场数值计算的有限分析-多重网格法
14.1.1 灭弧室分区贴体网格的生成
14.1.2 数学模型的坐标变换
14.1.3 550kV单断口SF6断路器灭弧室电场数值计算
14.2 灭弧室压力场的有限体积-多重网格法数值计算
14.3 数值模拟实例
参考文献
第15章 端子短路开断介质恢复特性的数值模拟
15.1 电弧模型发展概况
15.2 圆柱形电弧模型下弧后介质强度恢复特性的数值模拟
15.2.1 电弧数学模型
15.2.2 辐射项处理
15.2.3 端子短路开断过程灭弧室气流场数值模拟
15.2.4 不同燃弧时间零后灭弧室内气流的密度分布
15.2.5 弧后介质强度恢复特性的数值模拟
15.3 能量流电弧模型下弧后介质强度恢复特性的数值模拟
15.3.1 能量流电弧模型
15.3.2 热气流场数值计算
15.3.3 弧后介质强度恢复特性的数值模拟与分析
15.4 等效电导电弧模型下弧后介质恢复特性的数值模拟
15.4.1 等效电导电弧模型的建立
15.4.2 决定电弧形态的气流场与喷口电弧相耦合的数学模型
15.4.3 耦合数学模型中相关问题的处理
15.4.4 断路器短路开断过程动态电弧的仿真
15.4.5 弧后介质强度恢复特性数值模拟
参考文献
第16章 高压SF6断路器介质恢复特性的耦合数值模拟
16.1 无载开断下介质恢复特性耦合数值模拟
16.1.1 数值模拟的耦合关系
16.1.2 无载开断介质恢复特性的耦合数值模拟实例
16.2 短路开断下弧后介质恢复特性的耦合数值模拟
16.2.1 耦合数值模拟关系
16.2.2 电弧模型及洛伦兹力
16.2.3 灭弧室磁流体动力学方程
16.2.4 短路开断下弧后介质恢复特性耦合数值模拟实例
16.3 洛伦兹力对气流参数分布及介质恢复特性的影响
参考文献
第17章 喷口结构对介质恢复特性的影响及喷口优化设计
17.1 喷口型面结构对介质恢复特性的影响
17.1.1 不同型面结构喷口对电场强度分布的影响
17.1.2 光滑型面结构喷口的灭弧室内气流场的数值计算
17.1.3 具有局部“放-收”型面结构喷口的灭弧室内气流场的数值计算
17.1.4 两种型面结构喷口下灭弧室内气体流速及密度分布的对比分析
17.1.5 两种型面结构喷口下灭弧室内介质恢复特性的对比分析
17.2 喷口型面尺寸对介质恢复特性的影响
17.2.1 喷口仰角和喷口长度对介质恢复特性的影响
17.2.2 两段式型面结构喷口对介质恢复特性的影响
17.3 喷口的气动优化设计
17.4 252kV断路器两段式型面喷口优化设计
17.4.1 实现喷口优化设计的非线性规划
17.4.2 通过流场的气体压力获取介质恢复特性
17.4.3 BP神经网络和遗传算法相结合的喷口优化设计方法
17.5 550kVSF6断路器多级“放-收”型面喷口优化设计
17.5.1 高压SF6断路器喷口中的湍流
17.5.2 考虑湍流影响的550kV断路器喷口优化设计
参考文献
附录
