Vérification du logiciel CFX pour la simulation de l'interaction arc-écoulement dans les disjoncteurs haute-tension.

Le but du projet est de vérifier s'il est envisageable d'utiliser le code commercial CFX de ANSYS Inc. dans le but de simuler la coupure du courant dans un disjoncteur à haute tension. CFX est un code de dynamique des fluides au sens large, avec des options disponibles pour simuler différents types de problèmes d'écoulements de fluides, en trois dimensions spatiales. La méthodologie utilisée est principalement une comparaison entre deux codes, et avec la solution analytique, lorsque la géométrie utilisée le permet. Le code utilisé comme base de comparaison est MC3, qui est un code ayant déjà été validé, conçu spécialement pour simuler l'allumage et la coupure d'un arc électrique dans une géométrie de disjoncteur haute tension, avec une approximation d'axisymétrie de la géométrie. L'idée derrière le projet est donc de passer d'une méthode de calcul en deux dimensions que l'on sait fonctionnelle, avec des approximations pour obtenir des conditions axisymétriques, à une méthode de calcul pleinement tridimensionnelle en terme spatial, diminuant ainsi le nombre d'approximations à effectuer. Les concepts de vérification et de validation de codes sont expliqués, avec un résumé de certaines méthodes particulières. Une brève description du fonctionnement des disjoncteurs haute tension est donnée, avec un résumé des principes physiques utilisés. Les équations physiques résolues par les solveurs sont données (dynamique des gaz, rayonnement, électromagnétisme), avec un résumé qualitatif des modèles numériques utilisés. La géométrie et la physique des cas tests utilisés sont décrits, avec la solution analytique lorsque cela est possible. Les résultats de ces cas tests sont analysés et comparés entre les deux codes et la solution analytique. Ces cas tests ont pour but de simuler des cas simples faisant ressortir séparément chacune des caractéristiques physiques présentes dans un disjoncteur haute tension. Les caractéristiques physiques d'importance sont donc vérifiées une à la fois. Une tentative de calcul sur une situation un peu plus réaliste a finalement été effectuée.

Abstract

The goal of the project is to verify the possibility of using ANSYS Inc.'s CFX commercial code for simulations of current interruption in a high-voltage circuit breaker. CFX is a fluid dynamic code in a wide sense, with available options for simulating many fluid flow problems, in three spatial dimensions. The method used for the verification is mainly a code to code comparison, and with analytical solutions, when the geometry allow it. The code used as comparison basis is MC3, which has already been validated. It is specially made for simulating ignition and cutting of electric arcs in a circuit breaker geometry, with an axisymmetric approximation. The idea of the project is to pass from a well validated two dimensional method, with axisymmetric approximations, to a fully three spatial dimensions method, decreasing the number of approximations to do. The code verification and validation concepts are explained, with a summary of some particular methods. A brief description of high-voltage circuit breakers operation is given, with a summary of physical principles used for its modeling. The physical equations solved by the computer codes are given (gas dynamic, radiation, electromagnetism), with a qualitative summary of numerical models used. The geometry and physics of test cases used are described, with analytical solution when possible. The results of theses test cases are analyzed and compared between the two codes and the analytical solution. The goal of theses test cases is to simulate simple cases showing separately each physical characteristics present in a high-voltage circuit breaker. The physical characteristics of importance are then verified one by one. An attempt on a more realistic and complex situation was finally done.