基于Fluent对不同温度条件下导线覆冰结果分析_王世康.pdf
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1、科技与创新Science and Technology&Innovation82023 年 第 04 期文章编号:2095-6835(2023)04-0008-05基于 Fluent 对不同温度条件下导线覆冰结果分析王世康,王国江,郑 伟,吕云海(中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司,新疆 乌鲁木齐 830000)摘要:导线覆冰是决定输电线路安全的重要参考之一,由于气象站参数一般无法适用于周边所有的地形条件,所以探寻一种能够相对准确提供微地形条件下覆冰参数的方法十分必要。采用仿真模拟与实际调查相结合的方式,对不同温度条件下导线覆冰程度进行分析。通过运用 Fluent 对设置条件进行模拟发现,
2、随着环境温度逐渐降低,导线覆冰厚度体现为先增后减的变化规律,且覆冰区域逐渐向迎风侧移动;结合调查结果进行分析后得出,运用仿真模拟对微地形条件下覆冰参数进行判定具有可实用性,但具体应用于实际还需进行进一步论证。关键词:导线覆冰;微地形;仿真模拟;FLUENT中图分类号:TM752文献标志码:ADOI:10.15913/ki.kjycx.2023.04.003随着全球气候的变化,极端气候频繁出现,输电线路冰雪灾害也频繁发生。如果输电线路严重覆冰会引起杆塔变形、导线断裂等危害,给输电线路带来极大的安全隐患1。国际上于 1932 年最早记录了输电线路覆冰事故2,中国 1954 年第一次记录输电线路覆冰
3、事故。从此以后,冰灾事故不断被记录,造成众多损失3。一条线路跨越高海拔山区时,高程悬殊、山岭纵横、气象变化显著,局部小气候特点突出,区域气象站难以反映微地形的气象条件。由于线路建设前对“微地形、微气象”认识不到位,最终可能导致线路产生事故4。梁曦东等5以有限差分法对流场进行仿真模拟,得出覆冰结果与时间呈现出随时间增加覆冰厚度逐渐增加的规律;王敩青等6通过对覆冰数据进行统计与分析,发现覆冰稳定增长时期,覆冰质量与时间序列呈相关度很高的一次线性函数关系;陆佳政7对微地形输电线路覆冰进行研究后认为,覆冰等级与水汽条件密切相关。在实际勘察过程中,很难获取覆冰相关气象参数,因覆冰数据具有局限性,很多区域
4、无法进行运用。对于无气象资料,地形复杂的工程项目想要准确获取覆冰参数十分困难,所以运用仿真计算模拟覆冰过程,探寻其是否能够应用于无气象参数和微地形区域,对覆冰的确定具有一定参考意义。1实验材料及方法参数本次实验将采用有限元分析法,运用 Fluent 对假设参数进行仿真计算,通过参数调整,寻求确定温度对 覆 冰 的 影 响。Fluent 是 一 款 计 算 流 体 力 学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件包,可对传热与相变、湍流、多相流等多种情况进行模拟分析,在工程设计、航空航天等领域有着广泛应用。1.1计算模型本文中的湍流模型将采用 k-剪切应力传输(Sh
5、ear Stress Transfer,SST)模型,该模型合并了方程中交叉扩散,在自由流等方面有更高的精度8;在Fluent 给出的 3 种多相流模型中,只有流体体积函数(Volume of fluid,VOF)多相流模型能与凝固融化模型耦合9,所以本文采用 VOF 模型与凝固融化模型耦合进行计算,该模型通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的体积分数来模拟 2 种或多种不能 混 合 的 流 体8。Fluent 中 采 用“焓-多 孔 度”(enthalpy-porosity)技术模拟流体的固化和融化过程,开启模型后,需要对相固态温度、液态温度及潜热进行设置9。1.2环境假设覆冰是物
6、体表面黏着过冷水过程的统称。依照覆冰条件,对流场内环境进行以下假设:空气中已析出小液滴,液相体积分数恒定,环境温度为零下,有风;液体均匀分布,受到重力、表面张力的影响;导线温度恒定,无电磁场扰动10。1.3建模与网格划分在本次模拟中,运用 Rhino 对导线二维、三维模型进行绘制,导线直径为 20 mm,呈单一圆形(柱状)结构。本次模拟以流体域导线接触面为边界层,加厚Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 04 期912 层,采用三角形网格划分法。1.4参数设置1.4.1计算模型设置Fluent 软件中,VOF 模型表面张力设置为 0.07
7、5,开启壁面黏附,主相为空气,副相为液态水;湍流模型选用 k-(SST)模型;开启能量方程与凝固融化模型,设置水的凝固融化温度为 273.15 K,潜热为333 000 J/kg。环境重力设置为-Z 轴的 9.8 m/s2,勾选密度及温度。1.4.2边界层设置流场以导线四周 1 m 为边界,2D、3D 模型建立正方形(体)流场包裹导线。边界条件中,2D 模型以 X负方向为速度型入口,3D 模型以 X 正方向为速度型入口,速度为 5 m/s,3 次模拟入口温度分别为 268.15 K、263.15 K 及 258.15 K;液相体积分数为 0.35%;2D 模型 X 正方向为压力型出口,3D 模
8、型 X 负方向为压力型出口,表压为 0,出口温度与入口一致。其余边界设置为压力型入口,表压为 0。导线设置成 wall 边界,温度为 269.15K,接触角为 90,认为表面干燥,材质为铝。2导线覆冰模拟结果分析经时长 2 s 的模拟,对混合液相结果图、焓值结果图等 Fluent 分析结果图进行预对比,发现液态水液相体积分数分布图结果清晰、代表性好,所以以下分析结果都将基于此结果图进行分析论证。图中液相分布范围即可视为覆冰区域,覆冰区液相体积分数越低则凝固程度越高。2.1二维模型导线覆冰分析2.1.15 情况下二维导线分析5 情况下二维导线覆冰示意图如图 1 所示。从图中可以看出,0.5 s
9、时导线基本无覆冰发生;1.0 s 时导线开始凝冰,但液相仍占比较高;1.5 s 时覆冰增加,主要覆盖于导线右侧,零星覆冰发生于导线偏上下处;2.0 s 时覆冰区域无太大变化,液相进一步凝结。最终2.0 s 时最大覆冰厚度约为 5 mm。2.1.210 情况下二维导线分析10 情况下二维导线覆冰示意图如图 2 所示。从图中可以看出,0.5 s 时开始出现覆冰;1.0 s 时导线覆冰范围增加,覆冰分布在导线迎风侧;1.5 s 时覆冰厚度、范围进一步增加;2.0 s 时导线覆冰区无太大变化,厚度稍增,液相开始逐渐凝固。2.0 s 时覆冰发生于导线上下偏左及右侧,整体覆冰厚度约为 8 mm。2.1.3
10、15 情况下二维导线分析15 情况下二维导线覆冰示意图如图 3 所示。从图中可以看出,0.5 s 时出现较多覆冰,且较多的分布在导线周围;1.0 s 时覆冰区域、厚度无增加,液相开始逐渐凝固;1.5 s 时较 1.0 s 时的分布无太大差异,液相进一步转化为固相;2.0 s 时覆冰厚度稍有增加。最终覆冰主要分布于导线上下两侧,覆冰厚度约为3.5 mm。(a)0.5 s 时覆冰示意图(b)1.0 s 时覆冰示意图(c)1.5 s 时覆冰示意图(d)2.0 s 时覆冰示意图图 15 情况下二维导线覆冰示意图(a)0.5 s 时覆冰示意图(b)1.0 s 时覆冰示意图(c)1.5 s 时覆冰示意图(
11、d)2.0 s 时覆冰示意图图 210 情况下二维导线覆冰示意图(a)0.5 s 时覆冰示意图(b)1.0 s 时覆冰示意图(c)1.5 s 时覆冰示意图(d)2.0 s 时覆冰示意图图 315 情况下二维导线覆冰示意图科技与创新Science and Technology&Innovation102023 年 第 04 期根据上述模拟结果发现,环境温度在5、10、15 时覆冰厚度分别为 5 mm、8 mm、3.5 mm,在相同条件下,10 时覆冰厚度最大,覆冰厚度为 8 mm 左右;覆冰厚度随温度降低呈先增后减的趋势,与前人研究结论相较存在一些异同点。马天男11在覆冰灾害的研究中发现,覆冰在
12、10 后开始呈现减少的规律,他认为原因在于超越10 的低温后,导线捕捉过冷水的能力开始减小,导致覆冰厚度减小;然而陈彦12的仿真结论认为,随温度下降导线覆冰厚度逐渐增加。结果上的异同可能是流体域或参数设置的差异导致的。在不同温度条件下,覆冰分布位置表现出一定差异,5 时覆冰主要分布在导线背风侧;10 时覆冰在导线表面分布较为均匀,其中迎风侧厚度略大;15 时覆冰厚度减小,覆冰现象主要发生在导线的上下方,凝固程度相较更强。2.2三维模型导线覆冰分析2.2.15 情况下三维导线分析在同样环境温度为5,风速为5 m/s的情况下,对三维导线覆冰情况进行模拟,历时 2.0 s,覆冰模拟结果如图 4 所示
13、。从图中可以看出,1.0 s 时导线迎风侧基本无覆冰发生,2.0 s 时迎风侧局部出现覆冰,但是凝结程度较低;1.0 s 时导线背风侧零星分布有凝结程度较弱的覆冰,2.0 s 时背风侧覆冰范围无明显变化,凝固程度有所增加。(a)1.0 s 时迎风侧覆冰示意图(b)2.0 s 时迎风侧覆冰示意图(c)1.0 s 时背风侧覆冰示意图(d)2.0 s 时背风侧覆冰示意图图 4 5 情况下三维导线覆冰示意图2.2.2 10 情况下三维导线分析10 情况下三维导线覆冰示意图如图 5 所示。从图中可以看出,1.0 s 时导线迎风侧出现大面积覆冰,覆冰较为凝实,2.0 s 时导线迎风侧覆冰区域有所增加,覆冰
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