Numerical Simulation of Radiative Heat Transfer in a High Voltage Circuit Breaker

La simulation de l'environnement thermique et la prédiction du taux d'ablation dans un disjoncteur dépendent fortement des résultats obtenus par la simulation du rayonnement. Par conséquent, le développement d'une méthode efficace pour la simulation est d'une importance capitale. Un code robuste appelé MC3 a été développé à l'École Polytechnique de Montréal depuis une trentaine d'années afin de simuler des disjoncteurs haute tension, et plusieurs méthodes ont été implémentées dans le code pour modéliser le transfert de chaleur radiatif. Cependant, chacun d'entre eux a des lacunes, ainsi un modèle plus efficace en termes de précision et de temps de calcul a été nécessaire. Dans ce projet, une méthode explicite de volume fini sans procédure itérative est utilisée pour simuler le transfert de chaleur radiatif dans les disjoncteurs haute tension. Dans le présent travail, la méthode explicite, utilisant le balayage de l'espace, est mise en oeuvre et plusieurs cas test sont étudiés. Afin de valider la méthode, une enceinte cylindrique classique est testée avec trois épaisseurs optiques et les résultats obtenus sont comparés aux résultats analytiques. Les résultats analytiques confirment les résultats numériques. Un disjoncteur semi-industriel est étudié avec trois épaisseurs optiques et les résultats obtenus du présent travail sont comparés aux résultats obtenus par la modèle P1 et la méthode implicite FVM (Finite Volume Method). Les résultats obtenus des deux FVM concordant. Cependant, les résultats P1 pour les cas optiquement épais et minces ne correspondent pas aux résultats du FVM. Le temps de calcul pour ces trois méthodes sont comparés. P1 est la méthode la plus rapide, tandis que le temps CPU pour le FVM explicite est raisonnablement proche du temps P1. La tuyère entourant l'arc dans un modèle de disjoncteur est simulée comme troisième cas test en utilisant P1 et FVM explicite pour cinq bandes de fréquence d'émission. Les résultats obtenus avec la méthode FVM sont comparés aux résultats de P1. Ces résultats sont calculés pour chaque bande afin de déterminer leur participation à la valeur totale. Des études montrent que le transfert de chaleur radiant qui atteint la paroi de la tuyère pour les trois premières bandes est négligeable et que seules les deux dernières bandes participent au rayonnement. L'effet de la condition limite de Marshak et Dirichlet sur le flux pour le modèle P1 est étudié et la valeur de l'énergie sur paroi pour les deux est comparée aux résultats obtenus de FVM. On observe que la valeur de l'énergie sur la paroi pour les conditions aux limites de Marshak est plus proche de celle obtenue de par FVM, tandis que P1 avec Marshak ne peut pas déterminer l'emplacement du flux maximal qui est très important dans le calcul du taux d'ablation. Le temps CPU pour le FVM implémenté dans le présent travail est comparé à celui obtenu de P1 et on observe que P1 est plus de 10 fois plus rapide alors que les résultats FVM sont plus réalistes.