université de montréal vérification du logiciel cfx pour la simulation de l'interaction arc-écoulement

203 Pages·2011·3.57 MB·French

by  Sébastien Paquette

Titre: Vérification du logiciel CFX pour la simulation de l'interaction arc-
Title: écoulement dans les disjoncteurs haute-tension.
Auteur:
Sébastien Paquette
Author:
Date: 2011
Type: Mémoire ou thèse / Dissertation or Thesis
Paquette, S. (2011). Vérification du logiciel CFX pour la simulation de l'interaction
Référence:
arc-écoulement dans les disjoncteurs haute-tension. [Mémoire de maîtrise, École
Citation:
Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/526/
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URL de PolyPublie:
https://publications.polymtl.ca/526/
PolyPublie URL:
Directeurs de
recherche: Jean-Yves Trépanier
Advisors:
Programme:
Génie mécanique
Program:
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https://publications.polymtl.ca
UNIVERSITÉDEMONTRÉAL
VÉRIFICATIONDULOGICIELCFXPOURLASIMULATIONDEL’INTERACTION
ARC-ÉCOULEMENTDANSLESDISJONCTEURSHAUTE-TENSION
SÉBASTIENPAQUETTE
DÉPARTEMENTDEGÉNIEMÉCANIQUE
ÉCOLEPOLYTECHNIQUEDEMONTRÉAL
MÉMOIREPRÉSENTÉENVUEDEL’OBTENTION
DUDIPLÔMEDEMAÎTRISEÈSSCIENCESAPPLIQUÉES
(GÉNIEMÉCANIQUE)
AVRIL2011
(cid:13)c SébastienPaquette,2011.
UNIVERSITÉDEMONTRÉAL
ÉCOLEPOLYTECHNIQUEDEMONTRÉAL
Cemémoireintitulé:
VÉRIFICATIONDULOGICIELCFXPOURLASIMULATIONDEL’INTERACTION
ARC-ÉCOULEMENTDANSLESDISJONCTEURSHAUTE-TENSION
présentépar:PAQUETTESébastien
envuedel’obtentiondudiplômede:Maîtriseèssciencesappliquées
aétédûmentacceptéparlejuryd’examenconstituéde:
M.GUIBAULTFrançois,Ph.D.,président
M.TRÉPANIERJean-Yves,Ph.D.,membreetdirecteurderecherche
M.REGGIOMarcelo,Ph.D.,membre
iii
Àmamèreetmonpère
iv
REMERCIEMENTS
J’aimeraispremièrementremerciermondirecteurderecherche,leprofesseurJean-YvesTrépanier,
qui m’a fourni un encadrement de qualité tout au long de ce projet, tout en me laissant la liberté
nécessaireaudéveloppementdemonpotentiel.
Je remercie ALSTOM-Grid (anciennement AREVA T&D) pour avoir financé le projet, plus par-
ticulièrement Philippe Robin-Jouan, chef de la section de calcul de la physique de l’arc. L’intérêt
qu’ilaportéauprojet,etsessuggestions,ontaméliorélerésultatfinal.
Je remercie tous les membres du groupe LUMINOS. Je remercie entre autres Eddy Petro, associé
de recherche, pour son aide précieuse dans l’apprentissage du logiciel CFX et le débogage de mes
cas tests. Je remercie Christophe Tribes, particulièrement pour son aide à l’utilisation de "LaTex"
(il n’aime pas la façon dont je prononce ce nom), lors de la rédaction de ce présent document.
J’adresseégalementmesremerciementsàMathieuMelotpourm’avoirfaitprofiterdesescastests
sur le rayonnement, ce qui a grandement raccourcit mon travail sur cet aspect (j’en rayonne de
joie). Je remercie tous les étudiants du groupe, les échanges que j’ai eu avec eux m’ont permis
de résoudre plusieurs interrogations, et leur compagnie fut des plus agréable (au sens amical du
terme).
Je remercie le professeur Ricardo Camarero, qui m’a permis d’acquérir une première expérience
enenseignement,entantquechargédelaboratoire.J’aibienaimétravailleraveclui(ainsiqu’avec
touslesautres)pourlecoursd’introductionauxtechnologiesinformatiques.
Jeremercietouslesmembresdemafamille,particulièrementmamère,monpère,mesdeuxfrères,
et mon beau-père, qui n’ont jamais cessé de croire en mes capacités. C’est de cet environnement
qu’est venu en premier lieux mon goût d’apprendre, de chercher plus en détails, et mon sens cri-
tique.Jesaluetouslesamisquej’aifréquentédurantmamaîtrise,quim’ontpermisd’avoirunevie
sociale,échappantainsiaustéréotypeduscientifiquefouquinesortjamaisdesonlaboratoire.
v
RÉSUMÉ
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
typesdeproblèmesd’écoulementsdefluides,entroisdimensionsspatiales.Laméthodologieutili-
séeestprincipalementunecomparaisonentredeuxcodes,etaveclasolutionanalytique,lorsquela
géométrieutiliséelepermet.LecodeutilisécommebasedecomparaisonestMC3,quiestuncode
ayantdéjàétévalidé,conçuspécialementpoursimulerl’allumageetlacoupured’unarcélectrique
dans une géométrie de disjoncteur haute tension, avec une approximation d’axisymétrie de la géo-
métrie. 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’approximationsàeffectuer.
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
qualitatifdesmodèlesnumériquesutilisés.
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
calculsurunesituationunpeuplusréalisteafinalementétéeffectuée.
vi
ABSTRACT
ThegoaloftheprojectistoverifythepossibilityofusingANSYSInc.’sCFXcommercialcodefor
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
analyticalsolutions,whenthegeometryallowit.ThecodeusedascomparisonbasisisMC3,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
threespatialdimensionsmethod,decreasingthenumberofapproximationstodo.
The code verification and validation concepts are explained, with a summary of some particular
methods.Abriefdescriptionofhigh-voltagecircuitbreakersoperationisgiven,withasummaryof
physicalprinciplesusedforitsmodeling.Thephysicalequationssolvedbythecomputercodesare
given(gasdynamic,radiation,electromagnetism),withaqualitativesummaryofnumericalmodels
used.
The geometry and physics of test cases used are described, with analytical solution when possible.
Theresultsofthesestestcasesareanalyzedandcomparedbetweenthetwocodesandtheanalytical
solution.Thegoalofthesestestcasesistosimulatesimplecasesshowingseparatelyeachphysical
characteristics present in a high-voltage circuit breaker. The physical characteristics of importance
arethenverifiedonebyone.Anattemptonamorerealisticandcomplexsituationwasfinallydone.
vii
TABLEDESMATIÈRES
DÉDICACE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
REMERCIEMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv
RÉSUMÉ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
ABSTRACT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi
TABLEDESMATIÈRES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
LISTEDESFIGURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x
LISTEDESNOTATIONSETDESSYMBOLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxiii
LISTEDESTABLEAUX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xxvi
LISTEDESANNEXES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xxvii
INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
CHAPITRE1 MÉTHODESDEVÉRIFICATIONDECODES . . . . . . . . . . . . 3
1.1 Comparaisonavecdessolutionsanalytiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Comparaisondecodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Méthodesdessolutionsmanufacturées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Comparaisondesmodèlesdisponibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 Étudedeconvergencedemaillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
CHAPITRE2 LESDISJONCTEURSHAUTETENSION . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1 Fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Gazutilisé:leSF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
6
CHAPITRE3 RÉSUMÉDESLOGICIELSUTILISÉS . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.1 Équationsdedynamiquedesfluidesetdiscrétisations . . . . . . . . . . . . . . 15
viii
3.1.1 CFX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1.2 MC3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1.3 Conditionsfrontièresdufluide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.3.1 CFX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.3.2 MC3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2 Tablesdegazréel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3 Mouvementsdemaillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4 Transfertradiatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4.1 MC3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4.1.1 Modèlesderayonnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4.1.2 Modèlespectral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4.1.3 Conditionauxfrontières . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4.2 CFX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4.2.1 Modèlesderayonnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4.2.2 Conditionauxfrontières . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4.2.3 Modèlesspectraux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.5 Électromagnétisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.5.1 MC3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.5.2 CFX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
CHAPITRE4 CASTESTSDEVÉRIFICATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.1 Vued’ensembledesvérificationseffectuées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2 Diffuseurradialaxisymétrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.3 Confluencesupersonique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.4 TuyèredeLewis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.4.1 Régimepermanent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.4.2 Régimetransitoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.4.3 Comparaisondeméthodesdesimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.5 Tuyèreavecréservoirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.5.1 Bassestempératures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
ix
4.5.2 Températurestrans-dissociationmoléculaire . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.5.3 Hautestempératures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.5.4 Conclusionstiréesdelagéométrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.6 Maillagesmobiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.6.1 Pistonencompression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.6.2 Pistonendétente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.6.3 Conclusionssurlesmaillagesmobiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.7 Rayonnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.7.1 Modèle1:Cylindredegazchaud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.7.2 Modèle2:Cylindredegazchaudentourédegazfroid . . . . . . . . . . 89
4.7.3 Modèle3:Géométriedestyleindustriel . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.7.4 Modèle4:Castestàdeuxcoefficientsd’absorption . . . . . . . . . . . 98
4.7.5 Observationssupplémentairesetconclusionssurlesmodèlesderayonnement107
4.8 Chauffageisochore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.8.1 Casdébutantà293K . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.8.2 Casdébutantà4000K . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.9 Champmagnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.10 Ajoutd’unarcélectriquedanslatuyèredeLewis . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.11 Résumédesconclusionstiréesdescastests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
CONCLUSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
ANNEXES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130