基于PIV技术的真空电弧扩散阶段流场分析

董华军,张作凡,李博,李晖

(1.大连交通大学 机械工程学院,辽宁 大连 116028;2.大连交通大学 计算机与通信学院,辽宁 大连 116028)

随着社会经济的快速发展,用电需求逐年攀增,电力系统的升级迫在眉睫。真空灭弧室是断路器的关键所在[1],针对其核心技术进行研究是十分必要的。对真空电弧的基础理论研究,特别是针对电弧扩散阶段的流场特性研究,对真空灭弧室提高灭弧效率有着重要的意义。理想情况下,灭弧室在半个周期内完成熄弧工作[2],在电流到达峰值后,在接下来的1/4周期内电流逐渐减小,真空电弧弧柱向内收缩,直至某一时刻沿径向发生断裂。在此阶段电弧弧柱内部粒子相较于其他任何阶段有更高的向边缘扩散的趋势,因此将此阶段称为真空电弧的扩散阶段。真空电弧在扩散过程中,由于铁磁物质的影响会产生涡流,涡流的产生会使外加纵向磁场滞后于电流的变化,从而减缓电弧向外扩散运动,延长电弧处于聚集状态的时间,使电极触头烧蚀加剧,缩短触头的使用寿命。同时涡流自身产生的磁场会改变电弧内部带电粒子的运动方向,干扰向触头边缘运动的粒子,使电弧向内收缩,延长熄弧时间,不利于弧后介质的恢复,因此,需对真空电弧扩散阶段的涡流大小及其运动特性进行研究。真空灭弧室是封闭结构,想要直接对其内部过程进行近距离观测十分困难,这就需要采取非接触测量的方式对其进行研究。

粒子图像测速技术(Particle Imaging Velocimetry,PIV)是1984年首次被提出的一种可实现非接触测量的现代流场测量技术[3],在多领域都有广泛应用[4-6]。彭德其等[7]利用PIV技术对管内插螺旋与液固两相流技术进行了研究,获得了管内流体涡量场与速度场分布;张俊等[8]通过PIV技术对贫燃预混旋流火焰流场与火焰结构特性进行了研究,获得内部回流区相关运动规律及结构;闫东杰等[9]改变示踪粒子,对电除尘器内部流场进行了可视化的研究;张嘉奇等[10]研究了材质对风力机叶片绕流流场特性的影响;Kazanskii等[11]通过PIV技术对脉冲电弧表面流场的特殊三维结构进行了研究。

由以上研究可知,PIV技术在流场特性研究方面具有极高的鲁棒性,并且与传统流场测量技术相比,PIV在面对复杂边界流动、高雷诺数的流体测量上表现出了更高的测量精度。因此,本文提出一种将图像处理技术与PIV技术相结合的真空电弧扩散阶段流场特性研究的方法,对真空电弧扩散阶段流场二维速度场以及内在主要涡流区域进行量化分析,并沿真空电弧径向对涡流的涡度分布进行量化分析及规律总结,并对电弧流场形成的相关理论进行补充。

1 试验方法与分析

1.1 真空电弧触发

本试验电流为工频电流,频率为50 Hz,峰值电流为19 kA。以可拆卸真空灭弧室为研究对象,其主体电路见图1。选用的触头结构为纵磁杯状触头,触头直径为75 mm,斜槽数为6。试验时用高速摄像机对准可拆卸灭弧室观察窗口来采集电弧燃烧过程的序列图像。本文使用的高速摄像机是CMOS高速摄像机,全分辨率下最大帧素为1 000 帧/s.由于真空电弧本身就是强光源,因此本试验不需要额外的光源。

图1 真空电弧触发试验电路

1.2 图像预处理

采集到的图像中除了真空电弧之外还包括电极触头。除此之外,在采集过程中还可能受到环境噪声的影响,这些因素都会降低图像的质量,也会对处理结果的准确性造成一定的影响,因此对图像进行预处理是试验过程中必不可少的步骤之一。

1.2.1 图像分割

图像分割的目的是将电弧之外的其他背景从图像中去除,只留下目标图像,去除多余且冗杂的干扰信息可提高计算的效率,减少数据的运算量。因为真空电弧自身具有极高的能量辐射,其灰度分布图具有明显的双峰特征[12],因此适合用阈值分割法来完成对图像的分割。本文选用最大类间方差的阈值分割算法[13]对真空电弧图像进行分割,这种算法的计算效率和准确性高,在多领域都有广泛应用[14], 它是根据目标图像和背景图像的灰度特性差异,将二者进行区分。在算法中首先分别计算出背景区域和目标区域的像素比例ωA和ωB,以及像素均值uA和uB。设图像的像素总均值为u,将u代入式(2)即可求得图像分割阈值g(T),将图像中小于阈值的记为0,大于阈值的记为1。

u=ωA·uA+ωB·uB

(1)

g(T)=ωA(uA-u)2+ωB(uB-u)2

(2)

将处理后获得的二值图像(图2)作为标记模板,对原始图像(图3)进行掩模标记后,完成了基于最大间方差算法的真空电弧图像,分割结果见图4。

图2 电弧二值化图像

图3 真空电弧原图像

图4 图像分割后图片

1.2.2 图像形态学重构

为进一步提高图像的分辨率,避免图像放大后边缘信息锯齿化严重,需对图像进行重采样。在图像的重采样过程中,为避免产生误差,重采样后的图像与原图像的比例应保持一致,所以要进行图像插值。本文采用三次样条插值,虽然三次样条插值计算量相对较大,但是插值结果较好,三次样条插值前后的结果对比见图5。

图5 形态学重建前后对比

1.3 粒子成像测速计算

粒子图像测速原理是将示踪粒子散布在待测流场中,用相邻两帧图像中粒子的位移来近似代替流体的位移,将位移除以两帧图像的曝光时间差,从而得出粒子的运动速度,即流体的运动速度。这个过程需要对相邻两帧图像进行图像匹配,确定同一粒子分别在两帧图像中的位置。为解决此问题,学者对不同图像相关性算法进行了研究。现有的研究表明,在粒子测速技术中,互相关算法比自相关算法有明显的优越性。因此本文选用互相关算法,对电弧扩散阶段的流场分布情况进行观测。真空电弧等离子体多相流中本身就包含丰富的粒子,故不用加入额外的示踪粒子,电弧自身粒子即可满足需求[15]。

1.4 涡度定义

在流体力学中,涡度是用来描述流体微团做旋转运动情况的物理量,涡度是矢量。对真空电弧的涡度进行测量观察,对了解电弧内部流体运动情况十分有必要。二维直角坐标系中涡度的表达式为:

(3)

(4)

(5)

式中:式(3)为流体的速度场;式(4)为流体速度在x,y方向上的分量;ψ为速度与水平方向的夹角;ξ代表涡度。

2 试验结果与分析

真空开关分断在10 ms左右完成,由于实际操作中存在触发延迟,实际电弧燃弧时间在7.6 ms左右,有2.4 ms的触发延迟,其中7～9 ms时电弧熵值下降,电弧处于扩散阶段。运用PIV软件对采集到的真空电弧扩散图像进行粒子分析,图6为粒子诊断结果,图7为PIV诊断结果云图。从诊断结果来看,真空电弧内部存在很多高速运动的等离子体区域,在真空电弧的扩散阶段,在内电弧弧柱的左右两侧会形成两大涡流区,涡流形成的原因在于电极触头中存在铁芯,通电后产生磁性,形成磁场,带电粒子在磁场的作用下就会产生向心加速度,进行环状运动,从而形成涡流。观察图8可以发现,左右两个涡流区域大小并不一样,对两涡流区域单位面积的涡度均值进行测量,测量结果发现,左侧涡度均值大小为432.78 (1/s),右侧涡度均值大小为872.10 (1/s),右侧涡流区域的涡度明显大于左侧涡流区域,所以内电弧外在表现为右侧收缩更剧烈。其原因为加速电弧熄灭,防止电弧的重燃,会添加纵向磁场,磁场产生磁场力,然而磁场在电弧两侧的分布并不均匀,会造成电弧两侧承受不同的磁力。除此之外,电弧自身还会产生收缩力和粒子碰撞产生的气体压力,3个力在左右两侧不可能时刻都保持产生同样的综合结果,所以宏观展现出的涡流涡度就不相同。

图6 PIV诊断结果图

图7 PIV诊断结果云图

(a) 右侧涡流标记区

比较完两大主要涡流区域,沿径向从外电弧左侧到外电弧右侧对涡度分布进行分析,涡度分布结果见图9。从图中可知,两侧涡度明显大于中间弧柱区,弧柱区涡度稳定,基本无大的波动。这是因为在真空电弧的扩散阶段,随着电流的减小,电弧触头间距进一步增大,电弧弧柱的能量得不到及时补充;随着电流同步减小,真空灭弧室触头间隙内部金属蒸汽压力进一步减小,这就导致了弧柱中心与四周形成了速度梯度,再加上触头间隙不断冷却,等离子体不再向四周扩散,而向中心收缩,这就造成两侧的涡度高于中间涡度。

图9 电弧径向涡度分布

3 结论

(1)真空电弧在熄弧的过程中由于电流减小,内部高能等离子区电弧能量得不到持续的补充,真空灭弧室温度逐渐下降以及在金属蒸汽压强的多重因素综合影响下,会产生强烈的涡流,且涡流主要分布在内电弧弧柱的左右两侧,并且两侧的涡流强度大小不同。

(2)沿径向对电弧涡流的分布进行研究,发现两侧涡度明显大于中心弧柱区,并且弧柱区涡度平稳,基本无波动。

(3)本文利用PIV技术对真空电弧扩散阶段二维流场进行了研究,但电弧实际运动是在三维空间中进行,因此本文所求电弧相关矢量场大小与真实世界真空电弧矢量大小有差异,但是其流场内部矢量相对大小关系成立。本文研究结果为进一步研究真空电弧扩散阶段的三维运动打下了基础。