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1　概述 

    可視化仿真是90年代嶄新的技術(shù)領(lǐng)域。它是涉及計(jì)算機(jī)圖象學(xué)、圖形處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)及人機(jī)交互技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)嶄新的技術(shù)領(lǐng)域。在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，可視化仿真或科學(xué)計(jì)算可視化被定義為對(duì)科學(xué)計(jì)算或仿真計(jì)算所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化加工或三維圖形和動(dòng)畫(huà)顯示，并可通過(guò)交互的改變參數(shù)來(lái)視察計(jì)算結(jié)果的全貌及其變化。由于科學(xué)計(jì)算可視化對(duì)各門(mén)學(xué)科和工程技術(shù)的發(fā)展有極其重要的意義及實(shí)用價(jià)值，因而這種技術(shù)在它一開(kāi)始出現(xiàn)就得到人們的極大重視。 

    實(shí)現(xiàn)科學(xué)計(jì)算的可視化具有多方面的重要意義。它可以大大加快數(shù)據(jù)的處理速度，使龐大的數(shù)據(jù)得到有效的利用；能把不能或不易觀察到的工程現(xiàn)象變?yōu)槭谷藗兡馨l(fā)現(xiàn)并理解被設(shè)計(jì)和被研究對(duì)象所產(chǎn)生的物理機(jī)理，從而提出改進(jìn)設(shè)計(jì)的具體措施；可以實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算過(guò)程的引導(dǎo)和控制，通過(guò)圖形交互手段可方便快速的改變?cè)O(shè)計(jì)和計(jì)算的原始數(shù)據(jù)和條件，并通過(guò)三維圖形或動(dòng)畫(huà)來(lái)顯示和觀察改變?cè)紨?shù)據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)和研究對(duì)象基本特性的影響，來(lái)達(dá)到對(duì)象優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。 來(lái)源:輸配電設(shè)備網(wǎng) 

    低壓電器的滅弧室一般由器壁 形成一個(gè)小室，電弧開(kāi)斷過(guò)程在滅弧室內(nèi)進(jìn)行，并且時(shí)間很短，很難用肉眼進(jìn)行觀察，特別是要定量地掌握和了解滅弧室內(nèi)如電弧溫度、離子濃度、氣體壓力，氣流速度等物理參數(shù)變化，則難度更大。近年來(lái)，由于磁流體動(dòng)力學(xué)（MHD）數(shù)值分析的進(jìn)展，使人們依靠電弧的物理數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬低壓電器開(kāi)斷過(guò)程成為可能，如果把這種仿真算法和三維可視化技術(shù)結(jié)合起來(lái)，則可使滅弧室內(nèi)電弧的開(kāi)斷過(guò)程在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來(lái)，讓人們觀察到電弧在滅弧室內(nèi)運(yùn)動(dòng)情況，以及溫度，流場(chǎng)等分布和變化情況，這對(duì)今后低壓電器滅弧室的設(shè)計(jì)有重大意義。 

    目前圖形及計(jì)算機(jī)技術(shù)得到極大的發(fā)展，使在微機(jī)上進(jìn)行三維空間可視化仿真成為可能。本文以磁流體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，綜合流場(chǎng)、電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)等計(jì)算，建立低壓斷路器開(kāi)斷電弧的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。在Windows98平臺(tái)上用Visual C++語(yǔ)言編制，利用基于Windows98的三維圖形模塊，形成了友好的人機(jī)界面，對(duì)開(kāi)斷中電弧的運(yùn)動(dòng)在三維空間進(jìn)行顯示，對(duì)溫度，氣流等參數(shù)以圖形可視化方式表示，實(shí)現(xiàn)了低壓斷路器開(kāi)斷的可視化仿真軟件系統(tǒng)。 

2　低壓斷路器開(kāi)斷電弧的數(shù)學(xué)模型 

    斷路器中的開(kāi)斷電弧滿足下列方程。質(zhì)量連續(xù)性方程 

    動(dòng)量守恒方程

:質(zhì)量力； 
v：速度； 
P：壓力； 

能量方程 

ρ：密度；h:焓；T：溫度（K）；t:時(shí)間（s）;K：熱傳導(dǎo)系數(shù)；s：熱源項(xiàng) 
　　　　在每一層每個(gè)單元的電流密度是： 

    其中G是電導(dǎo)，電導(dǎo)率由這一層元i,k的溫度決定。 
    電弧輻射所發(fā)射出的能量是： 

    QR=A.ε.K.（T4-T40） 

    A：表面積；ε：輻射率；K：玻爾茲曼輻射常數(shù)；T：溫度；T0：周?chē)鷾囟龋?nbsp;
　　　　磁場(chǎng)中的電弧等離子體受到磁場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)：

    電弧等離子體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，受到磁場(chǎng)對(duì)它的作用力，與流體運(yùn)動(dòng)的方向相反，阻止流體的運(yùn)動(dòng)。 

3　電弧開(kāi)斷過(guò)程可視化仿真 

    可視化被定義為對(duì)科學(xué)計(jì)算或仿真計(jì)算所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化加工或三維圖形和動(dòng)畫(huà)顯示。本文研制的低壓斷路器開(kāi)斷的三維可視化仿真軟件，系在Windows98平臺(tái)上用Visual C++語(yǔ)言編制，利用基于系統(tǒng)的三維圖形模塊，在三維空間以動(dòng)畫(huà)方式顯示的開(kāi)斷過(guò)程中電弧的運(yùn)動(dòng)情況，并繪出仿真計(jì)算的開(kāi)斷電壓電流波形。 

    在低壓斷路器開(kāi)斷過(guò)程的仿真中，需要計(jì)算斷路器模型所在的回路的電流，計(jì)算電弧的耦合場(chǎng)，從而掌握和了解滅弧室內(nèi)如電弧溫度、離子濃度、氣體壓力，氣流速度等物理參數(shù)變化。模擬計(jì)算的電壓電流波形圖如圖1所示，電弧電壓逐漸上升，當(dāng)電弧進(jìn)入柵片時(shí)，電壓迅速上升到一個(gè)較高的值，電流得到限制，然后出現(xiàn)了背后擊穿，電弧電壓跌落。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)基本符合。在0.85ms時(shí)滅弧室內(nèi)溫度分布及流場(chǎng)如圖2所示。 

圖1　模擬計(jì)算的斷路器開(kāi)斷電壓電流波形

圖2　t=0.85ms時(shí)計(jì)算得滅弧室內(nèi)溫度分布及流場(chǎng)

    本可視化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。隨著自動(dòng)化、集成化、智能化程度的不斷提高，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理復(fù)雜。要求數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)能支持應(yīng)用程度之間數(shù)據(jù)的傳遞與共享，工程數(shù)據(jù)類(lèi)型復(fù)雜，不僅有矢量、動(dòng)態(tài)數(shù)組、常常要求處理有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工程數(shù)據(jù)對(duì)象。工程對(duì)象在不同設(shè)計(jì)階段，可能有不同的定義模式，因此就能根據(jù)實(shí)際需要，修改和擴(kuò)充定義模式。要求有適應(yīng)于工程特點(diǎn)的數(shù)據(jù)管理。因此采用了在Visual C++的MFC中提供的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)CDao類(lèi)。MFC中基于DAO的數(shù)據(jù)類(lèi)比基于ODBC的數(shù)據(jù)類(lèi)功能更強(qiáng)大。基于DAO的數(shù)據(jù)類(lèi)通過(guò)Microsoft Jet database engine來(lái)取得數(shù)據(jù)。它支持?jǐn)?shù)據(jù)定義語(yǔ)言（DDL）的操作，比如創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中加入新的表或是在表中定義新的域。 

    三維圖形可分為線框，表面及實(shí)體模型造型。實(shí)體模型是一種高級(jí)技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)有多個(gè)商品化的系統(tǒng)。它特別適合研究復(fù)雜機(jī)構(gòu)的干涉和碰撞的檢查、物體質(zhì)量特性的計(jì)算，以及物體的逼真顯示等情況。因此目前已經(jīng)成為CAD系統(tǒng)中主要的幾何造型手段。 

    Microsoft提出了在Windows98&NT以及X-Windows平臺(tái)上通用的三維圖形規(guī)范。但這套三維圖形規(guī)范是面向底層操作的，只提供了對(duì)點(diǎn)、線、面的操作，這對(duì)于電器的可視化仿真CAD系統(tǒng)的研制是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。本可視化仿真系統(tǒng)需要實(shí)體顯示，在系統(tǒng)中經(jīng)常要進(jìn)行三維繪圖，因此用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，制作了適用于本系統(tǒng)的類(lèi)庫(kù)。 

    CGL Wnd類(lèi)從MFC的視窗CWnd類(lèi)繼承，主要對(duì)繪圖設(shè)備進(jìn)行三維繪圖所需要的初始化。 

    class CGLWnd:public CWnd 
    ｛…… 
    public: 
    void Init（）;對(duì)三維顯示設(shè)備進(jìn)行初始化 
    protected: 
    afx-msg void OnMouseMove（UINT nFlags,CPoint point）；響應(yīng)鼠標(biāo)事件 
    ……｝; 

    CMcb類(lèi)用于將斷路器作為一個(gè)對(duì)象封裝，其以下的成員函數(shù)負(fù)責(zé)可視化的顯示。三維的計(jì)算對(duì)象法線矢量，材料的光亮度，決定光照強(qiáng)度，繪制有陰暗的實(shí)體表示。 

    void DrawT（）;斷路器溫度場(chǎng)分布的繪制；void DrawFlow（）;氣流場(chǎng)的繪制； 

    void DrawI（）;斷路器開(kāi)斷電流波形的繪制；void DrawU（）;開(kāi)斷電壓波形的繪制； 

    void DrawArc（）;斷路器開(kāi)斷中電弧的三維繪制；void Draw3D（）;斷路器的三維繪制； 

    低壓斷路器開(kāi)斷時(shí)的三維仿真如圖3所示，在0.14ms時(shí)電弧剛剛產(chǎn)生，當(dāng)0.9ms時(shí)電弧已經(jīng)充分發(fā)展，并且前進(jìn)至滅弧柵片入口處；2.7ms時(shí)電弧又退出了滅弧室，背后擊穿現(xiàn)象產(chǎn)生，電弧電壓跌落。之后，電弧在滅弧室內(nèi)較穩(wěn)定的燃燒，直至熄滅。整個(gè)開(kāi)斷燃弧時(shí)間是4.8ms。 

圖3　低壓斷路器開(kāi)斷時(shí)電弧運(yùn)動(dòng)的三維仿真

4　結(jié)　論 

    本文討論了可視化仿真系統(tǒng)，是綜合計(jì)算機(jī)圖象學(xué)、圖象處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、人機(jī)交互技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)嶄新的技術(shù)領(lǐng)域。指出了可視化仿真技術(shù)應(yīng)用于低壓電器產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的重要意義。Visual C++實(shí)現(xiàn)了在Windows98平臺(tái)上的低壓斷路器可視化仿真系統(tǒng)，基于磁流體動(dòng)力學(xué)（MHD）建立電弧的物理數(shù)學(xué)模型模擬了低壓電器開(kāi)斷過(guò)程，將這種仿真算法和三維可視化技術(shù)結(jié)合起來(lái)，使滅弧室內(nèi)電弧的開(kāi)斷過(guò)程在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來(lái)，觀察到電弧在滅弧室內(nèi)運(yùn)動(dòng)情況，以及溫度，流場(chǎng)等分布和變化情況。在低壓電器產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用這種技術(shù)，可以大幅度提高低壓電器的技術(shù)水平，促進(jìn)我國(guó)低壓電器的發(fā)展。