CN112687347B - 计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的方法及系统 - Google Patents
计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的方法及系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112687347B CN112687347B CN202110009722.3A CN202110009722A CN112687347B CN 112687347 B CN112687347 B CN 112687347B CN 202110009722 A CN202110009722 A CN 202110009722A CN 112687347 B CN112687347 B CN 112687347B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- calculating
- chemical
- arc plasma
- particles
- arc
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000126 substance Substances 0.000 title claims abstract description 57
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 48
- 230000000694 effects Effects 0.000 title claims abstract description 15
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 claims abstract description 68
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 53
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 33
- 238000003775 Density Functional Theory Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000002924 energy minimization method Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims abstract description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 claims abstract description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 28
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 20
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 20
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 19
- 230000006798 recombination Effects 0.000 claims description 17
- 238000005215 recombination Methods 0.000 claims description 17
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 claims description 12
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 claims description 12
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 10
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 claims description 8
- 230000005428 wave function Effects 0.000 claims description 5
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims description 4
- 238000004836 empirical method Methods 0.000 claims description 3
- 238000005182 potential energy surface Methods 0.000 claims description 3
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 abstract description 6
- 239000011553 magnetic fluid Substances 0.000 abstract description 3
- 150000003254 radicals Chemical class 0.000 description 21
- 230000006870 function Effects 0.000 description 14
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 14
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 4
- 238000004057 DFT-B3LYP calculation Methods 0.000 description 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 3
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 3
- -1 Hexafluoro compound Chemical class 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 2
- 229910018503 SF6 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005284 basis set Methods 0.000 description 1
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000003083 coupled cluster method Methods 0.000 description 1
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 1
- 238000009396 hybridization Methods 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 230000005624 perturbation theories Effects 0.000 description 1
- 230000005610 quantum mechanics Effects 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- SFZCNBIFKDRMGX-UHFFFAOYSA-N sulfur hexafluoride Chemical compound FS(F)(F)(F)(F)F SFZCNBIFKDRMGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229960000909 sulfur hexafluoride Drugs 0.000 description 1
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
本发明公开了一种计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的方法及系统，包括：1)对气体分子进行结构优化；2)计算分子的路径；3)对于局部热力学平衡态的电弧等离子体，利用密度泛函理论计算路径中涉及粒子的熵，焓，比热；4)利用吉布斯自由能最小化方法或质量作用定律求解局部热力学平衡态电弧等离子体组分；5)对于化学非平衡态电弧等离子体，运用变分过渡态理论计算路径中化学反应速率；6)利用动力学模型求解化学非平衡态电弧等离子体的组分；本发明提出了一种计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的方法，针对气体电弧等离子体可能的两种状态的等离子体组分进行计算，为电弧的磁流体仿真提供数据基础。
Description
技术领域
本发明属于电气绝缘介质技术领域，涉及一种计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的方法及系统。
背景技术
六氟化物(SF6)的优良的绝缘强度和灭弧性能在高压电力设备中应用充当灭弧介质。SF6的环境问题日益突出，已被《京都议定书》列为6种排放受限制的温室气体之一。因此，寻找SF6替代气体是当前急需解决的问题。在电力开关设备中，系统短路故障发生时，对高压断路器中电弧的特性评估有实验测量和仿真计算两种方法。实验方面，测量电弧电压和电弧电流等宏观物理量并对其展开分析。仿真计算方面，利用磁流体(MHD)模型对电弧特性进行仿真计算，而电弧等离子体的基本热物理和电物理参数(粒子组分，热力学属性，辐射系数和输运系数)是仿真计算的基础。而电弧等离子体组分的计算是热力学属性，辐射系数和输运系数等参数计算的基础。
局部热力学平衡态的电弧等离子体，电弧内部电子、离子和中性粒子具有相同的温度，整个系统处于化学平衡态，各种物性参数仅仅与温度和压强有关。化学非平衡态电弧等离子体通常是位于电弧的边缘区域、电弧的起弧阶段或电弧温度较低的区域。
目前研究是计算局部热力学平衡态下气体电弧等离子体组分。在电弧等离子体中，分解、电离、复合、吸附等化学反应的速率是有限的，当化学反应的弛豫时间小于物理运动的特征时间时，等离子体则达到局部化学平衡状态，否则处于非化学平衡状态。由于非化学平衡态的存在，原有的统计物理学方法无法准确描述等离子体的粒子分布和内部过程，而需要对每个粒子建立既包含化学反应过程又包含物理过程的控制方程，从而使得建模和计算难度大大增加。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的方法及系统。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的方法，包括以下步骤：
步骤1，对气体分子进行结构优化；
步骤2，计算分子的路径；
步骤3，对于局部热力学平衡态的电弧等离子体，利用密度泛函理论计算路径中涉及粒子的熵、焓以及比热；
步骤4，利用吉布斯自由能最小化方法或质量作用定律求解局部热力学平衡态电弧等离子体组分；
步骤5，对于化学非平衡态电弧等离子体，运用变分过渡态理论计算路径中化学反应速率；
步骤6，利用动力学模型求解化学非平衡态电弧等离子体的组分。
本发明进一步的改进在于：
所述步骤2计算分子的解离、电离、吸附路径及自由基之间，正负离子之间，自由基与离子之间，分子与自由基或离子之间的重组过程；
通过计算分子的键能，确定最可能断裂的化学键，通过势能面扫描计算生成的粒子。
所述步骤4采用Saha方程和Guldberg-Waage方程求解局部热力学平衡态电弧等离子体组分。
一种计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的系统，包括：
第一计算模块，用于计算分子的解离、电离、吸附路径及自由基之间，正负离子之间，自由基与离子之间，分子与自由基或离子之间的重组过程；
第二计算模块，用于计算局部热力学平衡态下电弧等离子体；
第三计算模块，用于计算化学非平衡态下电弧等离子体。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出了计算局部热力学平衡态下和化学非平衡态下气体电弧等离子体组分的方法。传统方法通常假设电弧等离子体中可能存在的粒子，并假设电弧等离子体处在局部热力学平衡态条件下，然而，在电弧燃弧阶段或者熄弧阶段，化学反应的弛豫时间大于物理运动的特征时间，等离子体处于非化学平衡状态，不满足局部热力学平衡态假设。本发明首先计算了分子的解离、电离、吸附路径及自由基之间，正负离子之间，自由基与离子之间，分子与自由基或离子之间的重组过程。计算拟合了过程中涉及到的粒子热力学参数以及动力学参数。基于动力学仿真模型计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分，从而为电弧磁流体仿真提供数据基础，为电力设备中的电弧特性评估提供指导。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明实施例C4F7N解离及自由基重组过程示意图；其中(a)为C4F7N解离路径；(b)为自由基重组过程；
图3为本发明实施例C5F10O解离及自由基重组过程示意图；其中(a)为C5F10O解离路径；(b)为自由基重组过程；
图4为本发明实施例CF2和CF3的定压比热计算值与NIST数据库的对比图；其中(a)为CF3与NIST数据库的对比；(b)为CF2与NIST数据库的对比；
图5为本发明实施例C4F7N的局部热力学平衡态下电弧等离子体组分随温度的变化图；
图6为本发明实施例C5F10O的局部热力学平衡态下电弧等离子体组分随温度的变化图；
图7为本发明实施例C4F7N分解反应的速率常数随温度的变化图；
图8为本发明实施例C5F10O分解反应的速率常数随温度的变化图；
图9为本发明实施例中在2000K下，C4F7N化学非平衡态电弧等离子体组分随时间的变化图；
图10为本发明实施例中在1000K下，C5F10O化学非平衡态电弧等离子体组分随时间的变化图；
图11为本发明实施例C4F7N化学非平衡态电弧等离子体组分随温度的变化图；
图12为本发明实施例C5F10O化学非平衡态电弧等离子体组分随温度的变化图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明实施例公开了一种计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的方法，包括以下步骤：
步骤1，计算分子的解离、电离、吸附路径及自由基之间，正负离子之间，自由基与离子之间，分子与自由基或离子之间的重组过程；
如图2和图3所示，图2和图3是针对高绝缘强度新型绝缘气体C4F7N分子及C5F10O分子，计算了其解离路径及自由基之间，之间的重组过程。计算具体方式为对气体分子的各个化学键进行势能面扫描计算，得到路径，并计算产生的自由基之间的相互重组过程。
步骤2，利用密度泛函理论计算路径或重组过程中涉及粒子的熵，焓，比热值；
求解薛定谔方程，可以计算气体分子的分子性质(包括能量，键长)。微观粒子有明显的量子效应，量子力学通过波函数描述粒子的状态，粒子没有确定的位置，行为表现出波粒二象性。薛定谔方程是描述粒子运动的方程。通过求解方程，可以得到体系的波函数、体系能量及其他性质。其中，一维、单个粒子的薛定谔方程表达式为：
其中，是约化普朗克常数，V是外势，ψ为波函数，E为粒子能量，m是粒子质量，x是粒子的坐标。Hartree-Fock(HF)、半经验方法、后HF方法(包括密度泛函理论(DFT)、微扰理论耦合簇方法等)均为求解薛定谔方程的理论方法。分子体系包含多电子的相互作用，其中HF和半经验方法是将多电子问题转换为单电子问题求解，做了一定程度上的近似。而后HF方法是直接求解多电子薛定谔方程。随着1994年DFT中交换相关泛函(决定DFT计算精度)B3LYP被提出，DFT就被广泛采用，泛函B3LYP几乎成为计算各种问题的默认方法。在此之后出现了色散矫正方法、双杂化泛函、范围分离泛函等。M06-2X和ωB97-XD很大程度上能代替B3LYP的全能泛函，对计算精度有小幅改进，但其耗时往往会比B3LYP高一倍甚至更多。
另外，为了求解方程，需要把分子轨道展开为单电子基函数的线性组合，基函数越多，结果越精确。6-31G*是如今计算所用基组的底限。而基组6-311+G**是如今默认使用的基组。+代表弥散函数，弥散函数对偶极矩、电子亲合能等计算任务在精度方面有一定量的改进。**代表极化函数，极化函数能充分表现原子轨道在分子环境中的变形，对得到可靠的结果有重要的意义。在实际计算时，需要权衡时间成本和计算精度，确定计算采用的泛函和基组。
基于此，可以求得各个粒子的标准生成焓Δf Ho，熵So以及各个温度下的定压比热Cp。其中298K时的标准生成焓按照下面的公式计算：
ΔfH0(CxFyOz,0K)＝xΔfH0(C，0K)+yΔfH0(F，0K)+zΔfH0(O，0K)-∑D0
其中，ΔfHo为原子或分子的生成焓，ΣD0是原子能可以通过已知的生成焓求得。298K的生成焓和0K之间的关系为：
ΔfH0(CxFyOz，298K)＝ΔfH0(CxFyOz，0K)
+H0(CxFyOz，298K)-H0(CxFyOz，0K)
-x[H0(C，298K)-H0(C，0K)]st
-y[H0(F，298K)-H0(F，0K)]st
-z[H0(O，298K)-H0(O，0K)]st
分子的电压比热，熵，焓可以描述气体分子的其他热力学性质。根据各个粒子的热力学量，按照下面三个公式进行拟合：
其中，1000K作为温度拐点，300K-1000K为低温区，1000K-5000K为高温区，在高温区和低温区分别有a1k-a7k的拟合结果。
如图4所示，图4给出了CF2和CF3粒子的定压比热计算值与NIST数据库的比较，由图可见，计算值与NIST数据库的值有很好的一致性，因此，对于计算NIST数据库中没有的粒子，该方法同样适用。
步骤3，利用吉布斯自由能最小化方法计算在局部热力学平衡态下电弧等离子体组分；
在局部热力学平衡态下，体系的各种物性参数仅仅是温度和压力的函数，Gibbs自由能最小化是指在温度和压力一定时，平衡态的Gibbs函数最小。
系统的Gibbs自由能表达式为：
其中，w为系统中粒子的种类数，g为系统的吉布斯自由能/(J/kg)，ni为每千克气体中粒子i的摩尔数/(mol/kg)，u为粒子的化学势/(J/mol)。化学势物理意义是1mol物质对体系的Gibbs能的贡献。
除此之外，系统还须满足质量守恒的约束：
其中，aij为化学粒子j中元素i的化学计量系数，bi 0为元素初始的摩尔数，i＝1，2，…，L包括系统中元素全部种类。
采用拉格朗日方法结合约束条件求解Gibbs自由能函数的优化问题可推导：
因此需要满足
对于气相粒子，化学势为：
其中，S和H分别为粒子i的标准熵J/(K*mol)和标准焓J/mol。
约束中有j个方程，但方程组有j+L个未知量，联立可以求解全部未知量。除此之外，电弧等离子体组分还必须满足理想气体状态方程。
如图5和图6所示，图5和图6是在局部热力学平衡态下，基于Gibbs自由能最小化方法计算的C4F7N及C5F10O的电弧等离子体组分随温度的变化，可以得到电弧等离子粒子的组分随温度的变化；
步骤4，利用变分过渡态理论计算化学反应速率；
计算反应物和生成物的能量，计算反应前后的能量变化，计算反应前后的吉布斯自由能变，利用变分过渡态理论，可以求得各个温度下的反应速率与平衡常数。
其中，T是温度，P0是标准条件(1bar)下的压力，kb是玻尔兹曼常数，h是普朗克常数，R是理想气体常数，ΔG0，≠是标准活化反应的吉布斯活化能，σ是简并度。系数κ是振动比例因子。
同样地，通过拟合可以用以下表达式可以获得不同温度下的反应速率常数kf：
kf＝ATnexp(-Ea/RT)
其中，A是指前因子，n是温度指数，Ea是活化能。这三个参数确定了不同温度下的反应速率。或通过搭建实验平台测量各个反应的反应速率。
如图7和图8所示，图7和图8是利用变分过渡态理论计算的各个温度下C4F7N及C5F10O分解反应的速率随温度的变化关系，有图可见，随着温度的升高，速率也不断升高，反应的速率值作为动力学模型的输入参数计算化学非平衡态的电弧等离子体组分；
步骤5，利用动力学模型，计算化学非平衡态电弧等离子体组分；
第一步，输入粒子的热力学参数和化学反应速率参数；
第二步，计算化学非平衡态下电弧等离子体组分。
假设系统S中包含N个化学粒子，记为S＝{C1，C2，…，CN}。系统S的粒子组分可以用物质的量(以摩尔为单位)n1(t)，n2(t)，…，nN(t)。且满足质量守恒的约束：
其中，aji是第i个粒子中第j个元素的原子数，而bj 0是系统中第j个元素的初始原子总数。
假设m个反应R1，R2，...，Rm发生在S中，则反应Rk可以表示为：
其中，vkif和vkir是反应的化学计量系数，mi是物种i的化学符号。
在给定温度下，可以使用速率常数获得各个粒子的浓度。且假定所有反应都是可逆的。第i种粒子的生产率wi可以写为涉及第i种的所有反应的进度变量速率的总和：
其中，vik＝vikf-vikr和qk是第k个反应的正向和反向速率之差。
如图9和图10所示，图9是在2000K下，C4F7N气体在化学非平衡态下电弧等离子体组分随时间的变化，图10是在1000K下，C5F10O气体在化学非平衡态下电弧等离子体组分随时间的变化。随着时间的增加，各个粒子的化学非平衡态电弧等离子体组分趋于稳定。如图11和图12所示，图11和图12给出了C4F7N和C5F10O化学非平衡态电弧等离子体组分趋于稳定时随温度的变化。
由以上技术方案可知，本申请提供的一种计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的方法包括，计算分子的解离、电离、吸附路径及自由基之间，正负离子之间，自由基与离子之间，分子与自由基或离子之间的重组过程；计算局部热力学平衡态下电弧等离子体组分，首先需要计算路径或重组过程中涉及粒子的熵，焓，比热值，利用吉布斯自由能最小化方法计算局部热力学平衡态下电弧等离子体组分；计算化学非平衡态电弧等离子体组分，首先需要利用变分过渡态理论计算路径上化学反应速率，利用动力学模型计算化学非平衡态电弧等离子体的组分。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对气体分子进行结构优化；
步骤2，计算分子的路径；具体是计算分子的解离、电离、吸附路径及自由基之间，正负离子之间，自由基与离子之间，分子与自由基或离子之间的重组过程；通过计算分子的键能，确定最可能断裂的化学键，通过势能面扫描计算生成的粒子；
利用密度泛函理论计算路径或重组过程中涉及粒子的熵，焓，比热值；
求解薛定谔方程，计算气体分子的分子性质；通过求解方程，得到体系的波函数、体系能量及其他性质；其中，一维、单个粒子的薛定谔方程表达式为：
其中，是约化普朗克常数，V是外势，ψ为波函数，E为粒子能量，m是粒子质量，x是粒子的坐标；Hartree-Fock(HF)、半经验方法、后HF方法均为求解薛定谔方程的理论方法；
求得各个粒子的标准生成焓ΔfHo，熵So以及各个温度下的定压比热Cp；其中298K时的标准生成焓按照下面的公式计算：
ΔfH0(CxFyOz,0K)＝xΔfH0(C,0K)+yΔfH0(F,0K)+zΔfH0(O,0K)-∑D0
其中，ΔfHo为原子或分子的生成焓，ΣD0是原子能通过已知的生成焓求得；298K的生成焓和0K之间的关系为：
ΔfH0(CxFyOz,298K)＝ΔfH0(CxFyOz,0K)+H0(CxFyOz,298K)-H0(CxFyOz,0K)-x[H0(C,298K)-H0(C,0K)]st-y[H0(F,298K)-H0(F,0K)]st-z[H0(O,298K)-H0(O,0K)]st
分子的电压比热，熵，焓描述气体分子的其他热力学性质；根据各个粒子的热力学量，按照下面三个公式进行拟合：
其中，1000K作为温度拐点，300K-1000K为低温区，1000K-5000K为高温区，在高温区和低温区分别有a1k-a7k的拟合结果；
步骤3，对于局部热力学平衡态的电弧等离子体，利用密度泛函理论计算路径中涉及粒子的熵、焓以及比热；
利用吉布斯自由能最小化方法计算在局部热力学平衡态下电弧等离子体组分；系统的Gibbs自由能表达式为：
其中，w为系统中粒子的种类数，g为系统的吉布斯自由能，J/kg；ni为每千克气体中粒子i的摩尔数，mol/kg，u为粒子的化学势，J/mol；化学势物理意义是1mol物质对体系的Gibbs能的贡献；
步骤4，利用吉布斯自由能最小化方法或质量作用定律求解局部热力学平衡态电弧等离子体组分；
步骤5，对于化学非平衡态电弧等离子体，运用变分过渡态理论计算路径中化学反应速率；通过拟合能够用以下表达式获得不同温度下的反应速率常数kf：
kf＝ATnexp(-Ea/RT)
其中，A是指前因子，n是温度指数，Ea是活化能；这三个参数确定了不同温度下的反应速率；或通过搭建实验平台测量各个反应的反应速率；
步骤6，利用动力学模型求解化学非平衡态电弧等离子体的组分具体方法如下：
步骤6-1，输入粒子的热力学参数和化学反应速率参数；
步骤6-2，计算化学非平衡态下电弧等离子体组分；
假设系统S中包含N个化学粒子，记为S＝{C1，C2，…，CN}；系统S的粒子组分用物质的量n1(t)，n2(t)，…，nN(t)；且满足质量守恒的约束：
其中，aji是第i个粒子中第j个元素的原子数，而bj 0是系统中第j个元素的初始原子总数；
假设m个反应R1，R2，...，Rm发生在S中，则反应Rk表示为：
其中，vkif和vkir是反应的化学计量系数，mi是物种i的化学符号。
2.根据权利要求1所述的计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的方法，其特征在于，所述步骤4采用Saha方程和Guldberg-Waage方程求解局部热力学平衡态电弧等离子体组分。
3.一种用于实现权利要求1或2所述方法的计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的系统，其特征在于，包括：
第一计算模块，用于计算分子的解离、电离、吸附路径及自由基之间，正负离子之间，自由基与离子之间，分子与自由基或离子之间的重组过程；
第二计算模块，用于计算局部热力学平衡态下电弧等离子体；
第三计算模块，用于计算化学非平衡态下电弧等离子体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110009722.3A CN112687347B (zh) | 2021-01-05 | 2021-01-05 | 计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110009722.3A CN112687347B (zh) | 2021-01-05 | 2021-01-05 | 计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的方法及系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112687347A CN112687347A (zh) | 2021-04-20 |
| CN112687347B true CN112687347B (zh) | 2024-04-02 |
Family
ID=75457354
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110009722.3A Active CN112687347B (zh) | 2021-01-05 | 2021-01-05 | 计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112687347B (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001107253A (ja) * | 1999-10-07 | 2001-04-17 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 高周波プラズマｃｖｄシミュレータ及び高周波プラズマｃｖｄシミュレーション方法 |
| CN109359435A (zh) * | 2018-12-13 | 2019-02-19 | 武汉大学 | 一种SF6气体绝缘介质过热分解的Reax FF反应力场的建立方法 |
| CN109444342A (zh) * | 2018-12-12 | 2019-03-08 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种检测气体分子组分变化的方法及装置 |
| CN112102897A (zh) * | 2020-09-18 | 2020-12-18 | 华南理工大学 | 一种化学气相多元沉积产物组分预测方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150142398A1 (en) * | 2013-11-20 | 2015-05-21 | California Institute Of Technology | Methods for a multi-scale description of the electronic structure of molecular systems and materials and related applications |
-
2021
- 2021-01-05 CN CN202110009722.3A patent/CN112687347B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001107253A (ja) * | 1999-10-07 | 2001-04-17 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 高周波プラズマｃｖｄシミュレータ及び高周波プラズマｃｖｄシミュレーション方法 |
| CN109444342A (zh) * | 2018-12-12 | 2019-03-08 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种检测气体分子组分变化的方法及装置 |
| CN109359435A (zh) * | 2018-12-13 | 2019-02-19 | 武汉大学 | 一种SF6气体绝缘介质过热分解的Reax FF反应力场的建立方法 |
| CN112102897A (zh) * | 2020-09-18 | 2020-12-18 | 华南理工大学 | 一种化学气相多元沉积产物组分预测方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| C_4F_7N混合气体电弧等离子体热力学参数计算;张立松;叶明天;庞磊;张乔根;苏镇西;徐晓东;;高电压技术(第01期);全文 * |
| 平衡态与非平衡态电弧等离子体微观特性计算研究综述;荣命哲;仲林林;王小华;高青青;付钰伟;刘洋;刘定新;;电工技术学报(第19期);全文 * |
| 平衡态与非平衡态等离子体物性参数计算模型研究;王伟宗;荣命哲;吴翊;杨飞;周庆庆;;高压电器(第07期);全文 * |
| 平衡态电弧等离子体统计热力学属性的计算;王伟宗;荣命哲;Anthony B.MURPHY;吴翊;苏海博;杨飞;;西安交通大学学报(第04期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112687347A (zh) | 2021-04-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Fu et al. | Theoretical study of the neutral decomposition of SF6 in the presence of H2O and O2 in discharges in power equipment | |
| Wang et al. | Thermophysical properties of nitrogen plasmas under thermal equilibrium and non-equilibrium conditions | |
| Stalder et al. | Modeling the chemical kinetics of high-pressure glow discharges in mixtures of helium with real air | |
| Beule et al. | Equation of state for hydrogen below 10000 K: From the fluid to the plasma | |
| Haas et al. | Models for direct Monte Carlo simulation of coupled vibration–dissociation | |
| Kolorenč et al. | Wave functions for quantum Monte Carlo calculations in solids: Orbitals from density functional theory with hybrid exchange-correlation functionals | |
| Misquitta et al. | Spectra of Ar–CO 2 from ab initio potential energy surfaces | |
| Wang et al. | Theoretical computation of thermophysical properties of high-temperature F2, CF4, C2F2, C2F4, C2F6, C3F6 and C3F8 plasmas | |
| Wang et al. | Dominant particles and reactions in a two-temperature chemical kinetic model of a decaying SF6 arc | |
| Akhgarnusch et al. | Thermochemistry of the reaction of SF6 with gas-phase hydrated electrons: a benchmark for nanocalorimetry | |
| Beichel et al. | Empirical description and prediction of ionic liquids' properties with augmented volume-based thermodynamics | |
| Zhang et al. | First principles based computational scheme for designing new SF 6 replacements | |
| Nasibulin et al. | Nanoparticle formation via copper (II) acetylacetonate vapor decomposition in the presence of hydrogen and water | |
| Ballester et al. | Double many-body expansion potential energy surface for ground state HSO 2 | |
| Wang et al. | Fundamental properties of high-temperature SF6 mixed with CO2 as a replacement for SF6 in high-voltage circuit breakers | |
| Chen et al. | Decomposition mechanism and kinetics of iso-C4 perfluoronitrile (C4F7N) plasmas | |
| Wang et al. | The reactive thermal conductivity of thermal equilibrium and nonequilibrium plasmas: application to nitrogen | |
| Chen et al. | Chemical kinetics analysis of two C5-perfluorinated ketone (C5 PFK) thermal decomposition products: C4F7O and C3F4O | |
| CN113128057A (zh) | 氧气和水分对c5f10o气体分解行为特性影响的模拟方法及系统 | |
| CN112687347B (zh) | 计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的方法及系统 | |
| Wan et al. | Deep-learning-assisted theoretical insights into the compatibility of environment friendly insulation medium with metal surface of power equipment | |
| Gao et al. | Chemical kinetic modeling and experimental study of SF6 decomposition byproducts in 50 Hz ac point-plane corona discharges | |
| Gadéa et al. | Calculated scattering length for spin-polarized metastable helium | |
| Wells et al. | Theoretical Computations of the Effects of the Metastable Populations on Electron Energy Balance and Distribution Function in a Helium Afterglow | |
| Delhaye et al. | Simulation and modeling of reactive shear layers |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |