湍流度对覆冰导线气动力特性影响的试验研究

为研究风场湍流度对覆冰导线气动特性的影响,对D形和4种不同冰厚的新月形覆冰导线进行了风洞试验。分别在均匀流、5%和13%这3种均匀湍流场中,获得了0～180°攻角范围内单导线和6分裂导线的气动三分力系数,考察了2种不同形状覆冰时导线截面的气动力特性。同时,根据Den Hartog竖向和Nigol扭转舞动机理,讨论了覆冰导线的驰振不稳定攻角范围,为覆冰导线的舞动计算分析提供了有效参考。研究结果表明:湍流会降低新月形覆冰导线的气动稳定性,其中5%的湍流场对弛振稳定性的影响最为不利。然而对D形覆冰导线而言,湍流仅会略微改变气动力系数的幅值,不会影响其随攻角的变化规律;此外,湍流会提高D形覆冰导线的竖向弛振稳定性,而对扭转弛振稳定性几乎没有影响。     

基于Fluent的覆冰导线气动特性分析

为了研究覆冰导线在风荷载作用下的气动特性,笔者采用计算流体力学软件Fluent模拟覆冰导线周围的空气流场,并计算了不同覆冰厚度的导线在不同迎风攻角下的升力系数、阻力系数及扭矩系数,得到了覆冰厚度、风速等因素对覆冰导线气动参数的影响规律。结果表明,覆冰厚度对阻力系数、升力系数和力矩系数均有较大影响,但影响规律不尽相同。风速对阻力系数有较大影响,对升力系数和力矩系数的影响并不明显。计算所得的气动参数可为覆冰导线舞动研究提供参考。     

不同初凝角下D形覆冰分裂导线气动力特性

通过刚性节段模型高频测力天平测力风洞试验,对D形覆冰二分裂和六分裂导线模型进行了13组不同工况的试验,测得了在不同初凝角下分裂导线整体和60°初凝角下各子导线的气动力系数,攻角范围为0°~360°,并以5°为各攻角间隔,基于邓哈托准则,对D形覆冰分裂导线的驰振稳定性进行分析。试验结果表明：初凝角对覆冰分裂导线气动力特性及驰振稳定性存在影响;在一定风攻角下,子导线尾流干扰对气动力特性影响显著,增大了导线的驰振不稳定性。所得试验结果为D形覆冰二分裂和六分裂导线的舞动分析及其防治技术提供了必要的气动力数据。     

直流电场下特高压背风子导线过冷雨滴碰撞系数研究*

特高压直流输电线路在高海拔或低气温环境下易发生覆冰现象。由于迎风与背风导线的间距较小,雨滴轨迹及背风导线流场会受到迎风导线的影响。然而,针对碰撞系数或覆冰特性的研究多集中在单根导线风场大小、雨滴粒径等关键参数,鲜见涉及电场条件下分裂导线背风子导线碰撞系数的讨论。为此,结合拉格朗日法对雨滴撞击背风子导线表面的过程进行数值分析。利用ANSYS Fluent中的电磁场模块对分裂导线施加电场,分析了电场强度、导线间距及导线夹角等参量对碰撞系数的影响。研究表明：电场强度在0~50 kV/cm的范围内,导线碰撞系数几乎呈线性衰减,衰减率约为55%;电场场强大于50 kV/cm时,碰撞系数衰减幅度进一步增大。随着导线间距的增加,背风子导线的碰撞系数逐渐升高,随后保持不变。导线夹角不为0°时,风速4 m/s工况下的碰撞系数平均值约为0.6543,最大幅度为1.9%,风速10 m/s工况下的碰撞系数平均值约为0.8395,最大幅度仅为1.2%,碰撞系数几乎不发生改变。     

基于数值模拟的覆冰导线局部对流换热分析

覆冰事故是影响输电线路正常运行的重要原因。对输电线路覆冰过程中各热平衡影响因素进行分析,得出对流换热为该过程最重要的热损耗原因。针对对流换热、导线焦耳热两大影响因素开展数值模拟,得出雨凇覆冰导线的热量损失随风速及冰厚增加而增加,偏心圆形覆冰对流换热数值略小于圆形覆冰。对覆冰表面各部分的热量损失进行统计,结果表明,当风速小于10 m/s、覆冰厚度小于5 mm时,LGJ95导线迎风侧-45~45°区域的热耗散值达到了总量的35%~48%,热量散失远大于平均值,有利于覆冰冻结增长。     

覆冰导线空气动力系数数值分析

采用ANSYS12中的FLUENT模块模拟覆冰导线周围的空气流场,计算不同分裂导线在全迎风攻角下的升力系数、阻力系数及扭矩系数。首先通过将湖北省中山口三分裂导线的数值计算结果与风洞实验数据进行对比,验证了计算模型的精确度,然后运用该计算模型对部分多分裂导线的气动力参数进行计算分析,得到覆冰厚度、覆冰形状以及来流风速对气动力系数的影响,同时计算分析了导线间距与直径比对尾流的影响,得到的空气动力参数可为导线舞动研究提供载荷支持。     

椭圆形覆冰导线的液滴碰撞特性

过冷却液滴碰撞系数是架空输电线路覆冰生长机理研究的基础内容,该系数受覆冰导线截面形状、气象条件等因素的影响。为此以圆形、椭圆形覆冰为研究对象,采用流体力学数值模拟计算方法,分析结冰对象尺寸、风攻角、液滴中值体积直径对液滴碰撞系数的影响;随后,在大量液滴碰撞系数数据的基础上,采用误差反向传播(back propagation,BP)神经网络算法拟合出碰撞系数与其他因素的关系,在给定输入参数时可快速预测出液滴的碰撞系数;最后,搭建液滴碰撞系数实验平台。实验在0~3℃的环境温度条件下进行,通过高性能吸水纸吸附碰撞液滴,验证了数值模拟及BP神经网络预测过冷却液滴碰撞系数的有效性。     

覆冰导线风致振动的数值模拟

基于导线舞动的空气动力特性,依据流体动力学原理对覆冰导线绕流模型的流场进行了分析,得出不同风速、攻角下的空气动力系数,并探讨了风速、攻角等对舞动的影响。以索单元模拟输电导线,建立覆冰导线舞动的力学模型,采用Ansys软件对覆冰导线舞动进行模态分析,根据谐波叠加法研究了覆冰导线的风振响应,得出覆冰导线模型的前6阶振型并绘制导线对应振型的位移图,可为覆冰导线的优化设计提供依据。     

复合绝缘子雾凇覆冰厚度预测模型

基于拉格朗日法,通过数值求解覆冰过程中复合绝缘子外部连续气流场和水滴运动轨迹,提出一种以区域分割方式数值计算绝缘子表面水滴碰撞系数的方法,并分析了风速和水滴中值体积直径(MVD)对水滴碰撞系数的影响;通过求解覆冰热平衡方程建立绝缘子雾凇覆冰厚度预测模型,并通过人工覆冰增长试验,对模型进行了验证。数值计算和试验结果表明:复合绝缘子迎风侧杆径和伞裙边缘的水滴碰撞系数比迎风侧伞裙表面的碰撞系数大很多,迎风侧伞裙表面的水滴碰撞系数几乎是背风侧水滴碰撞系数的两倍;水滴碰撞系数随风速和MVD的增大而增大,且MVD的影响程度比风速更大;绝缘子伞裙表面覆冰厚度小于8mm时,模型能很好地预测绝缘子表面雾凇覆冰厚度,模型计算厚度与试验实测厚度相对误差在8%以内;绝缘子伞裙表面覆冰厚度在10~14mm之间时,模型的预测准确性稍差,其相对误差为12%~15%。     

基于区域分割方法的绝缘子覆冰质量预测模型

绝缘子覆冰会引起闪络进而导致电网停电事故,覆冰质量是表征绝缘子覆冰程度的重要参数。由于绝缘子覆冰环境下迎背风面覆冰程度有较大差异,基于流体力学Lagrange法提出一种以区域分割方式数值计算绝缘子表面碰撞系数的方法;对绝缘子表面不同区域的冻结系数进行计算,通过覆冰圆柱体表面覆冰质量计算公式等效计算建立绝缘子表面覆冰质量预测模型,并通过人工覆冰试验对试验结果进行验证。研究结果表明:XP–70绝缘子不同区域表面水滴碰撞系数存在较大差异,迎风面伞裙表面水滴碰撞系数比迎风面钢帽及伞裙边缘小得多,但是为背风面伞裙表面碰撞系数的2～3倍;0～60 min中,覆冰质量预测模型计算所得覆冰质量值与试验值的相对误差20%。