1　概述 

    可視化仿真是90年代嶄新的技術領域。它是涉及計算機圖象學、圖形處理、計算機輔助設計、計算機視覺及人機交互技術等多個領域的一個嶄新的技術領域。在工程設計領域，可視化仿真或科學計算可視化被定義為對科學計算或仿真計算所獲得的數(shù)據(jù)進行可視化加工或三維圖形和動畫顯示，并可通過交互的改變參數(shù)來視察計算結果的全貌及其變化。由于科學計算可視化對各門學科和工程技術的發(fā)展有極其重要的意義及實用價值，因而這種技術在它一開始出現(xiàn)就得到人們的極大重視。 

    實現(xiàn)科學計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)并理解被設計和被研究對象所產生的物理機理，從而提出改進設計的具體措施；可以實現(xiàn)對計算過程的引導和控制，通過圖形交互手段可方便快速的改變設計和計算的原始數(shù)據(jù)和條件，并通過三維圖形或動畫來顯示和觀察改變原始數(shù)據(jù)對設計和研究對象基本特性的影響，來達到對象優(yōu)化設計的目的。 來源:輸配電設備網(wǎng) 

    低壓電器的滅弧室一般由器壁 形成一個小室，電弧開斷過程在滅弧室內進行，并且時間很短，很難用肉眼進行觀察，特別是要定量地掌握和了解滅弧室內如電弧溫度、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，由于磁流體動力學（MHD）數(shù)值分析的進展，使人們依靠電弧的物理數(shù)學模型來模擬低壓電器開斷過程成為可能，如果把這種仿真算法和三維可視化技術結合起來，則可使滅弧室內電弧的開斷過程在計算機屏幕上顯示出來，讓人們觀察到電弧在滅弧室內運動情況，以及溫度，流場等分布和變化情況，這對今后低壓電器滅弧室的設計有重大意義。 

    目前圖形及計算機技術得到極大的發(fā)展，使在微機上進行三維空間可視化仿真成為可能。本文以磁流體動力學為基礎，綜合流場、電磁場、溫度場等計算，建立低壓斷路器開斷電弧的動態(tài)數(shù)學模型。在Windows98平臺上用Visual C++語言編制，利用基于Windows98的三維圖形模塊，形成了友好的人機界面，對開斷中電弧的運動在三維空間進行顯示，對溫度，氣流等參數(shù)以圖形可視化方式表示，實現(xiàn)了低壓斷路器開斷的可視化仿真軟件系統(tǒng)。 

2　低壓斷路器開斷電弧的數(shù)學模型 

    斷路器中的開斷電弧滿足下列方程。質量連續(xù)性方程 

    動量守恒方程

:質量力； 
v：速度； 
P：壓力； 

能量方程 

ρ：密度；h:焓；T：溫度（K）；t:時間（s）;K：熱傳導系數(shù)；s：熱源項 
　　　　在每一層每個單元的電流密度是： 

    其中G是電導，電導率由這一層元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：周圍溫度； 
　　　　磁場中的電弧等離子體受到磁場力的驅動：

    電弧等離子體在磁場中運動時，產生感應電流，受到磁場對它的作用力，與流體運動的方向相反，阻止流體的運動。 

3　電弧開斷過程可視化仿真 

    可視化被定義為對科學計算或仿真計算所獲得的數(shù)據(jù)進行可視化加工或三維圖形和動畫顯示。本文研制的低壓斷路器開斷的三維可視化仿真軟件，系在Windows98平臺上用Visual C++語言編制，利用基于系統(tǒng)的三維圖形模塊，在三維空間以動畫方式顯示的開斷過程中電弧的運動情況，并繪出仿真計算的開斷電壓電流波形。 

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

圖1　模擬計算的斷路器開斷電壓電流波形

圖2　t=0.85ms時計算得滅弧室內溫度分布及流場

    本可視化系統(tǒng)的實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)庫技術。隨著自動化、集成化、智能化程度的不斷提高，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理復雜。要求數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)能支持應用程度之間數(shù)據(jù)的傳遞與共享，工程數(shù)據(jù)類型復雜，不僅有矢量、動態(tài)數(shù)組、常常要求處理有復雜結構的工程數(shù)據(jù)對象。工程對象在不同設計階段，可能有不同的定義模式，因此就能根據(jù)實際需要，修改和擴充定義模式。要求有適應于工程特點的數(shù)據(jù)管理。因此采用了在Visual C++的MFC中提供的強大的數(shù)據(jù)庫CDao類。MFC中基于DAO的數(shù)據(jù)類比基于ODBC的數(shù)據(jù)類功能更強大。基于DAO的數(shù)據(jù)類通過Microsoft Jet database engine來取得數(shù)據(jù)。它支持數(shù)據(jù)定義語言（DDL）的操作，比如創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫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，表面及實體模型造型。實體模型是一種高級技術，現(xiàn)在已經(jīng)有多個商品化的系統(tǒng)。它特別適合研究復雜機構的干涉和碰撞的檢查、物體質量特性的計算，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，只提供了對點、線、面的操作，這對于電器的可視化仿真CAD系統(tǒng)的研制是遠遠不夠的。本可視化仿真系統(tǒng)需要實體顯示，在系統(tǒng)中經(jīng)常要進行三維繪圖，因此用面向對象的編程技術，制作了適用于本系統(tǒng)的類庫。 

    CGL Wnd類從MFC的視窗CWnd類繼承，主要對繪圖設備進行三維繪圖所需要的初始化。 

    class CGLWnd:public CWnd 
    ｛…… 
    public: 
    void Init（）;對三維顯示設備進行初始化 
    protected: 
    afx-msg void OnMouseMove（UINT nFlags,CPoint point）；響應鼠標事件 
    ……｝; 

    CMcb類用于將斷路器作為一個對象封裝，其以下的成員函數(shù)負責可視化的顯示。三維的計算對象法線矢量，材料的光亮度，決定光照強度，繪制有陰暗的實體表示。 

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

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

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

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

圖3　低壓斷路器開斷時電弧運動的三維仿真

4　結　論 

    本文討論了可視化仿真系統(tǒng)，是綜合計算機圖象學、圖象處理、計算機輔助設計、人機交互技術等多個領域的一個嶄新的技術領域。指出了可視化仿真技術應用于低壓電器產品設計中的重要意義。Visual C++實現(xiàn)了在Windows98平臺上的低壓斷路器可視化仿真系統(tǒng)，基于磁流體動力學（MHD）建立電弧的物理數(shù)學模型模擬了低壓電器開斷過程，將這種仿真算法和三維可視化技術結合起來，使滅弧室內電弧的開斷過程在計算機屏幕上顯示出來，觀察到電弧在滅弧室內運動情況，以及溫度，流場等分布和變化情況。在低壓電器產品設計中應用這種技術，可以大幅度提高低壓電器的技術水平，促進我國低壓電器的發(fā)展。