High Fidelity Numerical Simulation of 3D Arc Extinction in a High Voltage Circuit Breaker

Cette recherche vise la simulation numérique 3D de l'arc dans un disjoncteur à haute tension SF6 à courant zéro. Dans le but de capturer et de quantifier les instabilités 3D de l'arc à courant zéro, la méthode des volumes finis est utilisée pour résoudre des équations Euler (modifiées pour les gaz réel). La méthode WENO (Weighted Essentially Non-Oscillatory) est utilisée pour atteindre une précision spatiale du 5e ordre pour une compréhension à haute résolution des phénomènes complexes impliqués dans la simulation d'arc. Le chauffage ohmique est obtenu en utilisant une méthode de différence finie compacte du 4ème ordre et le transfert d'énergie radiative est modélisé via la méthode P1. Une méthode TVD Runge- Kutta de troisième ordre est implémentée pour l'intégration temporelle. Le domaine de calcul est un cuboïde, discrétisé en maillage cartésien, à l'intérieur de la buse du disjoncteur qui comprend l'arc et exclut les parois solides et les deux électrodes. L'arc est allumé via un code interne à l'intérieur de la buse. Les résultats sont ensuite cartographiés sur le cuboïde et le courant est réduit à zéro une fois que l'état stationnaire est atteint. Pour étudier les effets 3D de l'arc, une légère asymétrie est imposée à la configuration du problème en déplaçant le domaine de calcul de sorte que l'axe de l'arc ne coïncide pas avec la ligne de symétrie du cuboïde. L'effet de ce déplacement est mesuré sur la résistance électrique du milieu gazeux à l'arc. En comparant le profil numérique de température radiale avec la mesure de température, il est conclu que le schéma WENO et les résultats du premier ordre tombent dans une plage de précision acceptable et la méthode WENO prédit un profil de température plus précis. On observe également que les résultats sont plus précis pour le noyau d'arc que pour les frontières d'arc, en raison de l'absence des termes visqueux responsables de la diffusion d'énergie et du mélange turbulent. Il est également conclu que les équations d'Euler sont capables de capturer les effets 3D de l'arc. Ces effets doivent être pris en compte dans la conception des disjoncteurs car ils sont directement proportionnels à la résistance du milieu gazeux qui a un fort impact sur l'efficacité du disjoncteur.