基于PIV技術的真空電弧擴散階段流場分析

董華軍,張作凡,李博,李暉

(1.大連交通大學 機械工程學院,遼寧 大連 116028;2.大連交通大學 計算機與通信學院,遼寧 大連 116028)

隨著社會經濟的快速發展,用電需求逐年攀增,電力系統的升級迫在眉睫。真空滅弧室是斷路器的關鍵所在[1],針對其核心技術進行研究是十分必要的。對真空電弧的基礎理論研究,特別是針對電弧擴散階段的流場特性研究,對真空滅弧室提高滅弧效率有著重要的意義。理想情況下,滅弧室在半個周期內完成熄弧工作[2],在電流到達峰值后,在接下來的1/4周期內電流逐漸減小,真空電弧弧柱向內收縮,直至某一時刻沿徑向發生斷裂。在此階段電弧弧柱內部粒子相較于其他任何階段有更高的向邊緣擴散的趨勢,因此將此階段稱為真空電弧的擴散階段。真空電弧在擴散過程中,由于鐵磁物質的影響會產生渦流,渦流的產生會使外加縱向磁場滯后于電流的變化,從而減緩電弧向外擴散運動,延長電弧處于聚集狀態的時間,使電極觸頭燒蝕加劇,縮短觸頭的使用壽命。同時渦流自身產生的磁場會改變電弧內部帶電粒子的運動方向,干擾向觸頭邊緣運動的粒子,使電弧向內收縮,延長熄弧時間,不利于弧后介質的恢復,因此,需對真空電弧擴散階段的渦流大小及其運動特性進行研究。真空滅弧室是封閉結構,想要直接對其內部過程進行近距離觀測十分困難,這就需要采取非接觸測量的方式對其進行研究。

粒子圖像測速技術(Particle Imaging Velocimetry,PIV)是1984年首次被提出的一種可實現非接觸測量的現代流場測量技術[3],在多領域都有廣泛應用[4-6]。彭德其等[7]利用PIV技術對管內插螺旋與液固兩相流技術進行了研究,獲得了管內流體渦量場與速度場分布;張俊等[8]通過PIV技術對貧燃預混旋流火焰流場與火焰結構特性進行了研究,獲得內部回流區相關運動規律及結構;閆東杰等[9]改變示蹤粒子,對電除塵器內部流場進行了可視化的研究;張嘉奇等[10]研究了材質對風力機葉片繞流流場特性的影響;Kazanskii等[11]通過PIV技術對脈沖電弧表面流場的特殊三維結構進行了研究。

由以上研究可知,PIV技術在流場特性研究方面具有極高的魯棒性,并且與傳統流場測量技術相比,PIV在面對復雜邊界流動、高雷諾數的流體測量上表現出了更高的測量精度。因此,本文提出一種將圖像處理技術與PIV技術相結合的真空電弧擴散階段流場特性研究的方法,對真空電弧擴散階段流場二維速度場以及內在主要渦流區域進行量化分析,并沿真空電弧徑向對渦流的渦度分布進行量化分析及規律總結,并對電弧流場形成的相關理論進行補充。

1 試驗方法與分析

1.1 真空電弧觸發

本試驗電流為工頻電流,頻率為50 Hz,峰值電流為19 kA。以可拆卸真空滅弧室為研究對象,其主體電路見圖1。選用的觸頭結構為縱磁杯狀觸頭,觸頭直徑為75 mm,斜槽數為6。試驗時用高速攝像機對準可拆卸滅弧室觀察窗口來采集電弧燃燒過程的序列圖像。本文使用的高速攝像機是CMOS高速攝像機,全分辨率下最大幀素為1 000 幀/s.由于真空電弧本身就是強光源,因此本試驗不需要額外的光源。

圖1 真空電弧觸發試驗電路

1.2 圖像預處理

采集到的圖像中除了真空電弧之外還包括電極觸頭。除此之外,在采集過程中還可能受到環境噪聲的影響,這些因素都會降低圖像的質量,也會對處理結果的準確性造成一定的影響,因此對圖像進行預處理是試驗過程中必不可少的步驟之一。

1.2.1 圖像分割

圖像分割的目的是將電弧之外的其他背景從圖像中去除,只留下目標圖像,去除多余且冗雜的干擾信息可提高計算的效率,減少數據的運算量。因為真空電弧自身具有極高的能量輻射,其灰度分布圖具有明顯的雙峰特征[12],因此適合用閾值分割法來完成對圖像的分割。本文選用最大類間方差的閾值分割算法[13]對真空電弧圖像進行分割,這種算法的計算效率和準確性高,在多領域都有廣泛應用[14], 它是根據目標圖像和背景圖像的灰度特性差異,將二者進行區分。在算法中首先分別計算出背景區域和目標區域的像素比例ωA和ωB,以及像素均值uA和uB。設圖像的像素總均值為u,將u代入式(2)即可求得圖像分割閾值g(T),將圖像中小于閾值的記為0,大于閾值的記為1。

u=ωA·uA+ωB·uB

(1)

g(T)=ωA(uA-u)2+ωB(uB-u)2

(2)

將處理后獲得的二值圖像(圖2)作為標記模板,對原始圖像(圖3)進行掩模標記后,完成了基于最大間方差算法的真空電弧圖像,分割結果見圖4。

圖2 電弧二值化圖像

圖3 真空電弧原圖像

圖4 圖像分割后圖片

1.2.2 圖像形態學重構

為進一步提高圖像的分辨率,避免圖像放大后邊緣信息鋸齒化嚴重,需對圖像進行重采樣。在圖像的重采樣過程中,為避免產生誤差,重采樣后的圖像與原圖像的比例應保持一致,所以要進行圖像插值。本文采用三次樣條插值,雖然三次樣條插值計算量相對較大,但是插值結果較好,三次樣條插值前后的結果對比見圖5。

圖5 形態學重建前后對比

1.3 粒子成像測速計算

粒子圖像測速原理是將示蹤粒子散布在待測流場中,用相鄰兩幀圖像中粒子的位移來近似代替流體的位移,將位移除以兩幀圖像的曝光時間差,從而得出粒子的運動速度,即流體的運動速度。這個過程需要對相鄰兩幀圖像進行圖像匹配,確定同一粒子分別在兩幀圖像中的位置。為解決此問題,學者對不同圖像相關性算法進行了研究。現有的研究表明,在粒子測速技術中,互相關算法比自相關算法有明顯的優越性。因此本文選用互相關算法,對電弧擴散階段的流場分布情況進行觀測。真空電弧等離子體多相流中本身就包含豐富的粒子,故不用加入額外的示蹤粒子,電弧自身粒子即可滿足需求[15]。

1.4 渦度定義

在流體力學中,渦度是用來描述流體微團做旋轉運動情況的物理量,渦度是矢量。對真空電弧的渦度進行測量觀察,對了解電弧內部流體運動情況十分有必要。二維直角坐標系中渦度的表達式為:

(3)

(4)

(5)

式中:式(3)為流體的速度場;式(4)為流體速度在x,y方向上的分量;ψ為速度與水平方向的夾角;ξ代表渦度。

2 試驗結果與分析

真空開關分斷在10 ms左右完成,由于實際操作中存在觸發延遲,實際電弧燃弧時間在7.6 ms左右,有2.4 ms的觸發延遲,其中7～9 ms時電弧熵值下降,電弧處于擴散階段。運用PIV軟件對采集到的真空電弧擴散圖像進行粒子分析,圖6為粒子診斷結果,圖7為PIV診斷結果云圖。從診斷結果來看,真空電弧內部存在很多高速運動的等離子體區域,在真空電弧的擴散階段,在內電弧弧柱的左右兩側會形成兩大渦流區,渦流形成的原因在于電極觸頭中存在鐵芯,通電后產生磁性,形成磁場,帶電粒子在磁場的作用下就會產生向心加速度,進行環狀運動,從而形成渦流。觀察圖8可以發現,左右兩個渦流區域大小并不一樣,對兩渦流區域單位面積的渦度均值進行測量,測量結果發現,左側渦度均值大小為432.78 (1/s),右側渦度均值大小為872.10 (1/s),右側渦流區域的渦度明顯大于左側渦流區域,所以內電弧外在表現為右側收縮更劇烈。其原因為加速電弧熄滅,防止電弧的重燃,會添加縱向磁場,磁場產生磁場力,然而磁場在電弧兩側的分布并不均勻,會造成電弧兩側承受不同的磁力。除此之外,電弧自身還會產生收縮力和粒子碰撞產生的氣體壓力,3個力在左右兩側不可能時刻都保持產生同樣的綜合結果,所以宏觀展現出的渦流渦度就不相同。

圖6 PIV診斷結果圖

圖7 PIV診斷結果云圖

(a) 右側渦流標記區

比較完兩大主要渦流區域,沿徑向從外電弧左側到外電弧右側對渦度分布進行分析,渦度分布結果見圖9。從圖中可知,兩側渦度明顯大于中間弧柱區,弧柱區渦度穩定,基本無大的波動。這是因為在真空電弧的擴散階段,隨著電流的減小,電弧觸頭間距進一步增大,電弧弧柱的能量得不到及時補充;隨著電流同步減小,真空滅弧室觸頭間隙內部金屬蒸汽壓力進一步減小,這就導致了弧柱中心與四周形成了速度梯度,再加上觸頭間隙不斷冷卻,等離子體不再向四周擴散,而向中心收縮,這就造成兩側的渦度高于中間渦度。

圖9 電弧徑向渦度分布

3 結論

(1)真空電弧在熄弧的過程中由于電流減小,內部高能等離子區電弧能量得不到持續的補充,真空滅弧室溫度逐漸下降以及在金屬蒸汽壓強的多重因素綜合影響下,會產生強烈的渦流,且渦流主要分布在內電弧弧柱的左右兩側,并且兩側的渦流強度大小不同。

(2)沿徑向對電弧渦流的分布進行研究,發現兩側渦度明顯大于中心弧柱區,并且弧柱區渦度平穩,基本無波動。

(3)本文利用PIV技術對真空電弧擴散階段二維流場進行了研究,但電弧實際運動是在三維空間中進行,因此本文所求電弧相關矢量場大小與真實世界真空電弧矢量大小有差異,但是其流場內部矢量相對大小關系成立。本文研究結果為進一步研究真空電弧擴散階段的三維運動打下了基礎。