基于流體力學(xué)仿真的絕緣子空氣動力結(jié)構(gòu)多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計初探

劉世濤，何志強，王 博，，李秀廣，張弓達(dá)，文習(xí)山

基于流體力學(xué)仿真的絕緣子空氣動力結(jié)構(gòu)多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計初探

劉世濤1，何志強2，王 博1，3，李秀廣1，張弓達(dá)3，文習(xí)山3

（1.國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，銀川750002；2.寧夏送變電工程公司，銀川 750001；3.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430072）

為了提高線路絕緣子在重風(fēng)沙環(huán)境下的絕緣性能，最大限度發(fā)揮新型空氣動力絕緣子的防污特性，基于絕緣子基本結(jié)構(gòu)，提出了4個傘裙結(jié)構(gòu)參數(shù)，并針對這些結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了基于流體場特性的優(yōu)化設(shè)計仿真。4個傘裙結(jié)構(gòu)參數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計輸入?yún)?shù)，上層傘裙下方的矩形截面平均空氣流速作為輸出參數(shù)，分別以上層傘裙2個參數(shù)和下層傘裙2個參數(shù)各為1個影響因子組合，利用ANSYS Workbench平臺進(jìn)行流體力學(xué)計算和響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計。結(jié)合其他設(shè)計要求、經(jīng)驗和響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果，新型空氣動力防污絕緣子外形結(jié)構(gòu)的參數(shù)建議值可選?。荷蠈觽闳拱霃絃1為190 mm，上層傘裙小傘棱高度H1為8.7 mm，下層傘裙的半徑L2為156 mm，下層傘裙在水平方向上的下傾角α為13°。

防污絕緣子；空氣動力結(jié)構(gòu)；計算流體力學(xué)；參數(shù)優(yōu)化；響應(yīng)面法

0 引言

輸電線路設(shè)備運行環(huán)境惡劣，特別是線路絕緣子不僅是重要的機械結(jié)構(gòu)設(shè)備，而且其絕緣性能直接影響線路安全運行。在重風(fēng)沙環(huán)境中懸式絕緣子表面沙塵附著比較嚴(yán)重。線路絕緣子污穢閃絡(luò)會對電力系統(tǒng)正常運行造成很大影響[1]。

絕緣子實體對空氣流動有阻礙作用，傘裙附近會產(chǎn)生渦旋，空氣流速低于外部環(huán)境流速。在沙塵區(qū)大風(fēng)環(huán)境下，空氣中裹挾的沙塵容易附著在絕緣子表面形成污穢層[2-5]。通過改變絕緣子外形結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮傘裙的空氣動力學(xué)特性，提高傘裙附近空氣流速，減弱湍流作用，將有利于減少污穢沉積。

混合了沙塵的空氣會伴隨大氣運動與絕緣子發(fā)生相互作用，沙塵顆粒有極大概率與絕緣子產(chǎn)生接觸，并在一定條件下沉積于絕緣子表面形成積污[6-9]。多個研究指出，絕緣子附近沙塵顆粒所受到的空氣曳力對它的運動過程產(chǎn)生決定性作用[10-14]。受空氣曳力影響，污穢顆粒易于沉積在具有湍流的部位[15-18]。

絕緣子表面并非理想光滑平面，流動空氣與絕緣子表面發(fā)生接觸時，靠近固體表面的空氣因粘滯作用而會降低流速，當(dāng)外部氣流速度較高時容易發(fā)展湍流，且絕緣子外形也很大程度上影響著附近流場的湍流特性。在不易形成湍流的平面附近，污穢顆粒運動速度高，即使與絕緣子發(fā)生接觸也因自身動量較大而不易發(fā)生附著。在絕緣子附近形成湍流與氣流速度降低的部位，是有利于污穢微粒沉積的區(qū)域[19-20]。若對物體形狀進(jìn)行流線型處理，縮減阻礙物橫向尺度，則壓差阻力明顯下降，湍流強度和湍流區(qū)域也將明顯減少[21]。

目前存在的空氣動力型絕緣子，如雙傘型或大傘徑單傘型，其主要目的也是利用氣流作用減少污穢物在絕緣子上、下表面的附著[5-6]。本文在現(xiàn)有空氣動力型絕緣子外形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上做出一些探索，例如采用不等徑雙傘裙，增加上層傘裙小傘棱，以改善污穢物橋接問題。而空氣動力特性與絕緣子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)會使絕緣子附近空氣流場產(chǎn)生明顯變化。

因此，筆者在提出的新型絕緣子基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)模型上，設(shè)置4個結(jié)構(gòu)參數(shù)，并考察參數(shù)變化時上層傘裙下部截平面的平均流速。絕緣子附近空氣流場由計算流體力學(xué)軟件仿真計算得出，并通過軟件優(yōu)化設(shè)計功能，得到最有利于提高傘裙附近空氣流速的結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值和參數(shù)組合，以保證提出的空氣動力型防污結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異性能。

1 新型空氣動力型傘裙結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)

根據(jù)污穢顆粒在絕緣子附近空氣流場中運動、沉積特點，以及氣流與絕緣子作用時的繞流特性，應(yīng)盡量使傘裙具有流線型結(jié)構(gòu)，縮小橫向氣流阻礙物尺寸，以提高傘裙傘棱附近空氣流速，減小湍流渦旋區(qū)，防止空氣污穢物沉積在絕緣子表面。同時，應(yīng)保持合適爬電距離，降低污穢閃絡(luò)概率，也要兼顧生產(chǎn)制造、設(shè)計運行的特點，使絕緣子具有較好的實用價值。

筆者提出一種空氣動力防污型懸掛式絕緣子基本結(jié)構(gòu)，并設(shè)置4個結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計對象，如圖1所示。其中，鋼帽和鋼腳的結(jié)構(gòu)尺寸與普通鐘罩式絕緣子相同，瓷質(zhì)或玻璃傘裙采用上、下雙層不等徑結(jié)構(gòu)。上層傘裙傾斜角度與現(xiàn)有相同機械載荷等級的鐘罩型絕緣子相同。上層傘裙最外側(cè)具有一圈小傘棱，其他部位沒有傘棱。瓷質(zhì)或玻璃下層傘裙與水平方向呈一定下傾角度。

圖1 空氣動力防污型懸掛式絕緣子結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure sketch of insulator with aerodynamic profile

設(shè)置的4個結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)分別為上層傘裙的半徑L1，上層傘裙小傘棱高度H1，下層傘裙的半徑L2，下層傘裙在水平方向上的下傾角α。其中參數(shù)L1和H1共同決定了上層傘裙的外形，參數(shù)L2和α共同決定了下層傘裙的外形。一般情況下L1大于L2，非等徑結(jié)構(gòu)和使用邊緣小傘棱充當(dāng)落水緣將有利于增大傘間垂直距離，突出對雨水、冰凌和鳥糞等垂直形態(tài)絕緣破壞物的防護(hù)性能。下層傘裙保持一定傾斜角度α有利于遮蔽下層傘裙下表面區(qū)域，防止雨水浸濕下表面污層，并且有助于適當(dāng)增加絕緣子整體爬電距離L。

當(dāng)其中某一個結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化時，絕緣子附近空氣流場均不同，而將上層傘裙半徑L1和小傘棱高度H1設(shè)置為一個參數(shù)變化組，以H1與L1的比值A(chǔ)作為一個衍生參數(shù)，來反映上層傘裙外形與空氣流場的變化關(guān)系。同樣的，設(shè)置下層傘裙半徑L2和下傾角α為一個參數(shù)變化組，以α與L2的比值B作為另一個衍生參數(shù)，來反映下層傘裙外形與空氣流場的變化關(guān)系，參數(shù)間關(guān)系為。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真優(yōu)化

為了考察新型空氣動力防污絕緣子4個結(jié)構(gòu)參數(shù)對絕緣子附近流場的影響作用，筆者利用數(shù)值計算軟件ANSYS Worksbench平臺中的計算流體力學(xué)組件Fluent和優(yōu)化設(shè)計模塊，聯(lián)合進(jìn)行空氣流場仿真和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

整個優(yōu)化設(shè)計流程可分為5個部分：絕緣子模型導(dǎo)入，幾何模型剖分，空氣流體場數(shù)值計算，流體場結(jié)果提取和參數(shù)優(yōu)化控制，流程圖見圖2。4個絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)作為輸入?yún)?shù)，提取流體場特征參數(shù)作為輸出參數(shù)，分別以上傘裙結(jié)構(gòu)和下傘裙結(jié)構(gòu)為優(yōu)化對象建立兩個設(shè)計項目。

圖2 優(yōu)化設(shè)計流程圖Fig.2 The flow chart of optimization design

為了充分考慮成串絕緣子上下片之間影響，仿真模型使用3片絕緣子組成懸垂短串。絕緣子串和周圍流體場具有對稱性，為了節(jié)約計算資源，幾何體和計算域均以絕緣子軸向截面為對稱面建立1/2計算模型，計算域6.5 m×2 m×4 m。計算域速度入口的風(fēng)速為8 m/s，用來模擬水平方向5級風(fēng)；出口施加零壓力擴散約束條件。絕緣子鋼腳、鋼帽和傘裙表面使用壁函數(shù)，計算域剩余面使用滑移條件。

各輸入?yún)?shù)需要設(shè)定初始值和變化范圍。參照U550BP/240H型鐘罩絕緣子外形尺寸，上層傘裙的半徑L1初始值定為190 mm，小傘棱高度H1初始值定為8.7 mm?？紤]到上、下層傘裙間要保持適當(dāng)?shù)膬艨站嚯x，而且也要照顧到組裝鋼帽、鋼腳時需要預(yù)留出的操作空間，下層傘裙下傾角α初始值定為13°。結(jié)合整片絕緣子爬電距離要求和大小傘具有盤徑差的約束，下層傘裙半徑L2初始值定為156 mm。4個輸入?yún)?shù)的數(shù)值均在初始值±10%范圍內(nèi)變化。輸入?yún)?shù)初始值和變化范圍見表1

表1 輸入?yún)?shù)初始值和變化范圍Table 1 The initial value and variation range of input parameters

為了表明積污較嚴(yán)重的上下層傘裙間空氣流場的流速特征，筆者在上下層傘裙間設(shè)置了一個矩形截面作為流速觀察面（見圖3），使用該平面的面平均流速Vave作為輸出參數(shù)。Vave數(shù)值越大，表明該結(jié)構(gòu)參數(shù)下的絕緣子具有更好的空氣動力特性。

圖3 流速觀察面Fig.3 Observation plane of fluid velocity

筆者涉及的優(yōu)化過程使用了實驗設(shè)計（DOE）理論，主要目的是對輸入?yún)?shù)備選值進(jìn)行合理安排，以較小的仿真計算次數(shù)，獲得理想的輸入-輸出響應(yīng)結(jié)果。以響應(yīng)面法作為實驗設(shè)計優(yōu)化方法，其基本原理是基于多個輸入?yún)?shù)計算出目標(biāo)解，從而建立一個響應(yīng)面，在響應(yīng)面極值處獲得輸入?yún)?shù)的最優(yōu)組合[22-23]。多個輸入?yún)?shù)的一個組合稱為試驗點，軟件中使用常見的中心復(fù)合設(shè)計法規(guī)劃試驗點，并針對這些試驗點進(jìn)行求解。一旦求解完成，就能擬合出基于目標(biāo)結(jié)果的響應(yīng)面。比起離散的參數(shù)集賦值方法，響應(yīng)面對應(yīng)輸入?yún)?shù)給出了連續(xù)變化的輸出值[24]。

3 傘裙結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果分析

在上層傘裙優(yōu)化項目中，上層傘裙半徑L1和小傘棱高度H1作為輸入?yún)?shù)變化組合，當(dāng)一個參數(shù)固定時，另一個參數(shù)與輸出參數(shù)Vave之間具有二維曲線變化關(guān)系；兩個參數(shù)組合與輸出參數(shù)Vave之間具有三維曲面變化關(guān)系。當(dāng)L1固定為初始值190 mm時，H1與Vave之間的變化關(guān)系見圖4；當(dāng)H1固定為初始值8.7 mm時，L1與Vave之間的變化關(guān)系見圖5。L1、H1與Vave之間的響應(yīng)面變化關(guān)系見圖6。從圖4至圖6中可以看出，兩輸入?yún)?shù)L1和H1在定義域內(nèi)變化時，輸出參數(shù)Vave沒有出現(xiàn)極值，也就是說上層傘裙傘徑和小傘棱高度越小，對提高上下層傘裙間的空氣流速越有利，而且傘徑尺寸對傘裙間空氣流速的影響更大。從實用性角度考慮，傘徑傘棱設(shè)計尺寸不可能很小，這需要根據(jù)其他設(shè)計制造要求和經(jīng)驗給出合理數(shù)值。

圖4 輸入?yún)?shù)L1與輸出參數(shù)Vave二維變化關(guān)系Fig.4 Two-dimensional variable relation of L1and Vave

圖5 輸入?yún)?shù)H1與輸出參數(shù)Vave二維變化關(guān)系Fig.5 Two-dimensional variable relation of H1and Vave

圖6 輸入?yún)?shù)L1、H1與輸出參數(shù)Vave的響應(yīng)面Fig.6 Response surface between L1，H1and Vave

在下層傘裙優(yōu)化項目中，下層傘裙半徑L2和傘裙下傾角α作為輸入?yún)?shù)變化組合，當(dāng)L2固定為初始值156 mm時，α與Vave之間的變化關(guān)系見圖7；當(dāng)α固定為初始值13°時，L2與Vave之間的變化關(guān)系見圖8。L2、α與Vave之間的響應(yīng)面變化關(guān)系見圖9。圖7、圖8所示的兩條曲線在參數(shù)變化范圍內(nèi)均具有極大值點。且在圖9響應(yīng)面圖中也存在三維曲面極大值點，說明極大值對應(yīng)的輸入?yún)?shù)在一定取值范圍內(nèi)存在最優(yōu)組合，即響應(yīng)面上極大值所對應(yīng)的兩個輸入?yún)?shù)傘裙下傾角α為13°和下層傘裙半徑L2為156 mm時的參數(shù)組合為最優(yōu)組合，此時反映下層傘裙外形與空氣流場變化關(guān)系的衍生參數(shù)B的值約為0.083°/mm，上下層傘裙間的空氣平均流速達(dá)到較高水平。

圖7 輸入?yún)?shù)α與輸出參數(shù)Vave二維變化關(guān)系Fig.7 Two-dimensional variable relation of α and Vave

圖8 輸入?yún)?shù)L2與輸出參數(shù)Vave二維變化關(guān)系Fig.8 Two-dimensional variable relation of L2and Vave

圖9 輸入?yún)?shù)α、L2與輸出參數(shù)Vave的響應(yīng)面Fig.9 Response surface between α、L2and Vave

考慮到表征上層傘裙外形的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合上層傘裙半徑L1和小傘棱高度H1在響應(yīng)面上不存在極值點，為了保證足夠的爬電距離上層傘徑不宜過小，并參考現(xiàn)有U550BP/240H型鐘罩絕緣子傘裙半徑，將L1定為190 mm。同時要考慮絕緣子生產(chǎn)制造難度，小傘棱高度H1也不宜過小，數(shù)值可暫定為8.7 mm。因此，反映上層傘裙外形與空氣流場變化關(guān)系的衍生參數(shù)A的值約為0.046。而結(jié)合下層傘裙結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)據(jù)，表征新型空氣動力防污絕緣子外形結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果可定為上層傘裙半徑L1為190 mm，上層傘裙小傘棱高度H1為8.7 mm，下層傘裙的半徑L2為156 mm，下層傘裙在水平方向上的下傾角α為13°。

4 結(jié)論

1）空氣動力型防污絕緣子設(shè)計中，上層傘裙半徑L1和上層傘裙小傘棱高度H1共同決定了上層傘裙基本結(jié)構(gòu)；下層傘裙半徑L2和下層傘裙下傾角α共同決定了下層傘裙基本結(jié)構(gòu)。

2）上層傘裙的兩個結(jié)構(gòu)參數(shù)L1、H1與傘裙間截面平均流速Vave的響應(yīng)曲面不存在極值點；考慮絕緣要求和制造工藝，并參照經(jīng)驗值，上層傘裙半徑L1的值定為190 mm，上層傘裙小傘棱高度H1的值定為8.7 mm，衍生參數(shù)A的值約為0.046。

3）下層傘裙的兩個結(jié)構(gòu)參數(shù)L2、α與傘裙間截面平均流速Vave的響應(yīng)曲面存在一個極大值點，所對應(yīng)的兩個結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值作為最優(yōu)組合，分別為下層傘裙半徑L2為156 mm，下層傘裙α為13°，衍生參數(shù)B的值約為0.083°/mm。

4）經(jīng)過結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后的防污絕緣子，具有更好的空氣動力特性，其傘裙附近具有更高的空氣流速。

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Preliminary Discussion on Multi Parameter Optimization Design of Insulator Aerodynamic Structure Based on Fluid Dynamics Simulation

LIU Shitao1，HE Zhiqiang2，WANG Bo1，3，LI Xiuguang1，ZHANG Gongda3，WEN Xishan3
（1.Electric Power Research Institute，State Grid Ningxia Electrical Power Company，Yinchuan 750002，China；2.Ningxia Electric Power Transmission and Transformation Engineering Company，Yinchuan 750001，Chian;3.School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

In this paper，four structure parameters of sheds are defined based on the sample of aero dynamical antifouling insulator，and the fluid field simulations for the parameters optimization are done in order to improve the insulator performance under the environment of windy and dusty，maximize the anti?fouling characteristic of new aerodynamic insulator.The four structure parameters of sheds are set to the input parameters，and the area-weighted average air velocity on the rectangle cut plane under the upper shed is set to the output parameter in the optimization work.The two structure parameters related to upper shed or lower shed are set to one factors group to establish a design project.The fluid dynamics simula?tion and optimization design with response surface method are operated on the software platform of AN?SYS workbench.According to the response surface optimization results and other design experiences，the values of structure parameters of new aero dynamical may be suggested as:the radius of upper shedL1is 190mm，the height of small rib at the edge of upper shedH1is 8.7mm，the radius of lower shedL2is 156mm，the downward inclination angle of lower shed α is 13°.

antifouling insulator；aerodynamic structure；computational fluid dynamics；parameter optimization；response surface method

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.042

2017-04-28

劉世濤（1986—），工程師，現(xiàn)從事輸電線路技術(shù)監(jiān)督和電網(wǎng)防污閃工作。