覆冰復(fù)合絕緣子的流體力學(xué)特性分析

王振華 錢懿如 李成成

摘? 要：以三大二小傘裙結(jié)構(gòu)的復(fù)合絕緣子為仿真模型，研究復(fù)合絕緣子覆冰情況下的流體力學(xué)特性。結(jié)果表明，氣流在繞過覆冰復(fù)合絕緣子芯棒和傘裙的過程中，絕緣子芯棒后面的流速很低，絕緣子背風(fēng)面有輕微渦流產(chǎn)生，水滴隨氣流存在回流現(xiàn)象，芯棒處回流現(xiàn)象也更加明顯，隨著覆冰的發(fā)展，覆冰速度先增大后減小，覆冰厚度10mm時(shí)覆冰速度達(dá)到最小。

關(guān)鍵詞：復(fù)合絕緣子? 覆冰? 流體力學(xué)

中圖分類號：TM216 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）11（c）-0098-02

1? 絕緣子仿真模型與分析方法

1.1 模型選擇

建立三大二小傘裙結(jié)構(gòu)的復(fù)合絕緣子模型，覆冰厚度的增加在傘裙上部分和芯棒上加厚，分別加2、5、10mm作為不同覆冰情況的模型。對于覆冰2、5、10mm的模型，分別在上傘裙還有芯棒上增加相應(yīng)的尺寸，形成新的覆冰模型。

1.2 分析方法

利用fluent軟件進(jìn)行仿真分析，將絕緣子置于風(fēng)洞內(nèi)，風(fēng)洞中的氣流可看作是低速不可壓縮的流體，因此求解器選擇壓力基隱式算法，選取k-ε模型，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍流動能k和湍流耗散率ε的半經(jīng)驗(yàn)公式為：

（1）

（2）

（3）

其中，k、ξ分別為湍流動能和湍流耗散率;Pt為湍動能生成項(xiàng);?t為湍流粘性系數(shù)。

風(fēng)洞出口為出流邊界條件，絕緣子表面為無滑移壁面邊界，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理。

2? 氣流發(fā)展?fàn)顩r

由靜壓云圖可判斷氣流與絕緣子表面碰撞的激烈程度，即絕緣子受力情況[1]，由仿真發(fā)現(xiàn)復(fù)合絕緣子的上傘裙迎風(fēng)面壓力大，由于下傘裙有7°的傾角，其迎風(fēng)面邊緣壓力最小，背風(fēng)面壓力比上傘裙背風(fēng)面大，即下傘裙背風(fēng)面回流現(xiàn)象比上傘裙背風(fēng)面回流現(xiàn)象明顯一點(diǎn)。因此總體上上傘裙捕獲的水滴比下傘裙多得多，水滴在下傘裙更易跟隨氣流脫離絕緣子。絕緣子串背風(fēng)面的芯棒、傘邊緣、傘上表面、芯棒兩側(cè)面的靜壓值較小，這些區(qū)域除了傘下表面芯棒根部因自由來流方向被傘邊緣及上表面所阻擋導(dǎo)致液滴在到達(dá)傘下表面芯棒根部之前已被傘邊緣及上表面所捕獲，其余區(qū)域可認(rèn)為是水滴顆粒碰撞的高發(fā)區(qū)域。

不同覆冰情況的復(fù)合絕緣子，覆冰越嚴(yán)重，總體受到的壓力越大[2]，傘裙的各部位的壓力情況基本相同，但是芯棒有區(qū)別，2mm覆冰時(shí)芯棒較細(xì)，壓力由水滴來流方向逐漸減小，背風(fēng)面沒有明顯的回流，10mm覆冰時(shí)芯棒變粗，背風(fēng)面有較明顯的回流，壓力變大。因此覆冰越嚴(yán)重，芯棒的背風(fēng)面會有越來越多的水滴撞擊在上面形成覆冰，覆冰越嚴(yán)重時(shí)，芯棒側(cè)面的覆冰增長速度會稍微變慢。

3? 水滴運(yùn)動狀況

由速度矢量圖可推測水滴顆粒的運(yùn)動情況，由仿真發(fā)現(xiàn)，絕緣子迎風(fēng)面芯棒處的氣流出現(xiàn)減速繞流的現(xiàn)象，氣流到達(dá)芯棒的迎風(fēng)面時(shí)受阻，使芯棒周圍靜壓急劇增大而氣流速度減小，受到運(yùn)動方向強(qiáng)阻力作用的氣流將沿著芯棒兩側(cè)面繞流，當(dāng)氣流經(jīng)過芯棒兩側(cè)時(shí)，出現(xiàn)明顯的減壓加速現(xiàn)象，可看出芯棒兩側(cè)的氣流速度要比傘裙兩邊氣流速度快，后以低速繼續(xù)向前流動。

氣流在繞過絕緣子芯棒和傘裙的過程中，絕緣子芯棒后面的流速很低，由于逆壓強(qiáng)梯度作用和絕緣子表面粘性滯止效應(yīng)，絕緣子背風(fēng)面有輕微渦流產(chǎn)生，水滴隨氣流存在回流現(xiàn)象，在傘的上下表面的背風(fēng)面處存在氣流回流的現(xiàn)象，主要集中在芯棒根部的位置，由于復(fù)合絕緣子傘裙間距和傘裙傾角較小，回流現(xiàn)象不明顯，所以碰撞到絕緣子背風(fēng)面的水滴極少，隨著覆冰越嚴(yán)重，背風(fēng)面的回流較明顯，當(dāng)覆冰只有2mm時(shí)芯棒直徑較小，芯棒處回流現(xiàn)象不是很明顯，當(dāng)覆冰10mm時(shí)芯棒直徑增大很多，芯棒處回流現(xiàn)象也變得較明顯，回過頭看靜壓云圖，覆冰不嚴(yán)重時(shí)，芯棒處背風(fēng)面是低壓區(qū)，壓力由迎風(fēng)面到側(cè)面再到背風(fēng)面逐減小，當(dāng)嚴(yán)重覆冰時(shí)的絕緣子芯棒處壓力不是由迎風(fēng)面向背風(fēng)面逐漸減小，而是側(cè)面稍微<背風(fēng)面，這也顯示了背風(fēng)面有比較明顯的回流，使得壓力變大。

4? 覆冰發(fā)展情況

水滴與復(fù)合絕緣子存在一個(gè)碰撞過程，水滴碰撞復(fù)合絕緣子后存在反彈現(xiàn)象，留在復(fù)合絕緣子上的水滴會加速覆冰的發(fā)展[3]。以水滴撞擊復(fù)合絕緣子的概率來判斷覆冰發(fā)展，即水滴撞擊系數(shù)小則復(fù)合絕緣子不易覆冰，系數(shù)大則越易覆冰。

覆冰發(fā)生時(shí)的水滴為過冷卻水滴，過冷卻水滴的碰撞系數(shù)與覆冰程度是正相關(guān)的關(guān)系，可以通過研究不同工況下的過冷卻水滴碰撞系數(shù)得出復(fù)合絕緣子覆冰的發(fā)展過程。該文以2、5、10mm覆冰模擬覆冰發(fā)展過程中的不同工況。

建立不同覆冰厚度的復(fù)合絕緣子模型，仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生霧凇覆冰時(shí)，即滴徑10μm時(shí)總體水滴撞擊率較小，在0.2以下，當(dāng)速度在5m/s以下時(shí)，水滴撞擊率大概是20m/s時(shí)的一半，此時(shí)冰厚由無覆冰變化到2mm覆冰時(shí)，水滴撞擊率稍有增加，在2mm變換到5mm覆冰時(shí)，速度5m/s的水滴繼續(xù)平穩(wěn)上升，而速度在2.5m/s時(shí)略有下降。當(dāng)速度達(dá)到20m/s時(shí)與5m/s及以下有很大不同，冰厚2mm以下是先減小，由冰厚2mm變換到5mm時(shí)是略有增加，但從5mm到覆冰非常嚴(yán)重的10mm時(shí)，無論何種速度水滴撞擊率都下降得非常明顯，說明覆冰增長率在下降，到達(dá)穩(wěn)定的覆冰情況就不再增加覆冰。

當(dāng)發(fā)生混合淞覆冰時(shí)，即50μm滴徑時(shí)，5mm冰厚之內(nèi)的復(fù)合絕緣子覆冰的不同對于撞擊率的影響并不是很明顯，曲線趨于平穩(wěn)，2.5m/s基本一樣，5m/s的流速先稍微下降再稍微上升，同樣流速20m/s時(shí)撞擊率最高，5m/s時(shí)次之，2.5m/s時(shí)最小。

當(dāng)發(fā)生雨凇覆冰時(shí)，即110μm滴徑時(shí)，20m/s的流速的水滴撞擊率跟前面兩種情況不同，并不是最高，因?yàn)橛贲「脖?，水滴質(zhì)量較大，速度對于水滴的影響沒前兩種情況明顯，且20m/s時(shí)，冰厚由小到大，撞擊率先增大后減小，2.5m/s和5m/s時(shí)的情況先平穩(wěn)減小后減小特別明顯。

3種情況都有相同的地方，即覆冰10mm時(shí)撞擊率很小，說明此時(shí)覆冰增長率很小，覆冰增長將變慢。

5? 結(jié)語

綜上所述，得出以下結(jié)論。

（1）覆冰復(fù)合絕緣子下傘裙迎風(fēng)面邊緣壓力最小，下傘裙背風(fēng)面壓力比上傘裙背風(fēng)面大，即下傘裙背風(fēng)面回流現(xiàn)象比上傘裙背風(fēng)面回流現(xiàn)象更明顯一點(diǎn)，總體上上傘裙捕獲的水滴比下傘裙更多。

（2）氣流在繞過覆冰復(fù)合絕緣子芯棒和傘裙過程中，絕緣子芯棒后面的流速很低，水滴隨氣流存在回流現(xiàn)象，隨著覆冰的發(fā)展，芯棒處回流現(xiàn)象更加明顯，即背風(fēng)面更易覆冰。

（3）隨著覆冰厚度的增加，覆冰增長速度先增大后減小，覆冰10mm時(shí)，水滴撞擊率最小，說明此時(shí)覆冰增長率很小，覆冰增長將變慢。

參考文獻(xiàn)

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