基于VOF的輸電線路疏水性防覆冰研究

張峻豪，張曉龍，高 鵬，羅 贏，王 聰，李俊杰

(1.昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650500;2.中國人民解放軍31638部隊(duì),云南 昆明 650500)

0 前 言

近年來，我國的電力行業(yè)發(fā)展迅速，但也有許多制約其發(fā)展的因素，因?yàn)榈蜏赜暄┨鞖舛鴮?dǎo)致輸電線路的覆冰現(xiàn)象就是其中一種。對(duì)于電網(wǎng)系統(tǒng)來說，輸電線路上出現(xiàn)覆冰或積雪現(xiàn)象對(duì)電力輸送可能導(dǎo)致一場(chǎng)災(zāi)難[1]。因此，研究將疏水材料運(yùn)用于輸電線路上以此來減緩覆冰，對(duì)我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人民生活有著重要的意義。

Neinhuis等[2]使用SEM顯微鏡來觀察新鮮荷葉的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了一種雙層微觀結(jié)構(gòu)。Cheng等[3]將新鮮荷葉加熱到150 ℃后，通過SEM顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)荷葉的雙層微觀結(jié)構(gòu)消失，同時(shí)荷葉也失去了疏水的性能，從而證明荷葉的超疏水性來源于雙層微結(jié)構(gòu)。Gao等[4]發(fā)現(xiàn)荷葉表面的結(jié)構(gòu)包括微米乳突表面和納米蠟，形成微米-納米結(jié)構(gòu)，對(duì)荷葉表面的浸潤(rùn)性有重大影響，他們利用荷葉表面微觀結(jié)構(gòu)特征，制備出具有V形微槽結(jié)構(gòu)以及條紋狀的疏水材料。張靜等[5]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過對(duì)以環(huán)氧樹脂(EP)為基體的材料進(jìn)行表面化學(xué)和物理處理,改善了材料的疏水性能。針對(duì)在阻止或減緩輸電線路上覆冰的形成研究缺乏的情況，本工作將以材料疏水性為切入點(diǎn)，運(yùn)用面追蹤方法捕捉水滴在V形、矩形和圓形微溝槽表面的形狀變化及行為特征，明確了疏水性效果最好的微溝槽表面結(jié)構(gòu)，并搭建電纜覆冰試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行覆冰試驗(yàn)，為高原山地高壓輸電線路覆冰、除冰項(xiàng)目提供一種處理思路。

1 試驗(yàn)方法

1.1 仿真分析

浸潤(rùn)性是評(píng)價(jià)材料疏水性的主要參數(shù)。目前大多數(shù)浸潤(rùn)性研究都來源于Young方程[6]，但因其在最開始只考慮了十分理想的光滑表面，未考慮到現(xiàn)實(shí)中是否存在，后來Cassie在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)和修正，提出了新的復(fù)合接觸概念，建立了一種新的模型，即Cassie模型。

Cassie-Baxtert方程如式(1)[7]：

cosθw=fscosθs+fvcosθv

(1)

式中θw—— Cassie模型的表觀接觸角

θs、θv—— 分別為液滴在固體表面和殘留空氣表面的本征接觸角

fs、fv—— 分別為固體與殘留空氣2種接觸面占總面積的比值

液體在微溝槽表面的浸潤(rùn)性可以利用界面追蹤方法來研究。目前，界面追蹤方法主要分為3種：正面跟蹤方法，基于等值面的Level Set方法，流體體積方法(Volume of Fluid ，VOF)[8，9]。

本工作運(yùn)用基于Cassie模型的VOF方法分別對(duì)水滴在V形、矩形、圓形3種微溝槽表面形狀變化及特征進(jìn)行捕捉，并以此來研究微溝槽表面的浸潤(rùn)性。

1.1.1 VOF模型的建立

該浸潤(rùn)性模型中包含水、空氣，二者常溫狀態(tài)下的數(shù)值如表1所示。

表1 材料屬性參數(shù)Table 1 Material property parameters

由于邊界條件是在仿真過程中用來模擬實(shí)際問題的環(huán)境條件，所以邊界條件的設(shè)置參數(shù)將直接影響仿真得到的結(jié)果[7，8]。以V形溝槽為例，以此來論述其邊界條件參數(shù)設(shè)定情況，V形溝槽邊界條件參數(shù)設(shè)定如圖1所示。

從圖1可知，將右邊界設(shè)置為axisymmetry，同時(shí)該邊界為整個(gè)模型的對(duì)稱軸。對(duì)稱邊界設(shè)置后，此邊界上的法相速度和梯度均為0，即如式(2)：

(2)

根據(jù)分析得知，由于上邊界和左邊界的速度無法確定，故將其設(shè)置為恒壓邊界。對(duì)于V形微溝槽的底部邊界，需要將其設(shè)置為wall，也就是不存在滑移的邊界，在此邊界上無論哪個(gè)方向的速度都為0。

當(dāng)水滴撞擊表面鋪展后，此時(shí)表面的黏附力如式(3)所示：

n=nwcosθw+twsinθw

(3)

式中nw—— 相對(duì)于底面(wall)的單位法向量

tw—— 相對(duì)于底面(wall)的單位切向量

在完成上述設(shè)置后，進(jìn)行初始化參數(shù)設(shè)置與計(jì)算。初始化相關(guān)參數(shù)是模擬真實(shí)情況下的初始條件，合理設(shè)定初始化相關(guān)參數(shù)是獲得理想仿真結(jié)果的前提條件。該次浸潤(rùn)性VOF仿真需設(shè)定多項(xiàng)參數(shù)，如初始環(huán)境的壓力大小、水滴初始速度以及液滴初始位置等，其具體參數(shù)設(shè)定如表2所示，其中標(biāo)號(hào)+表示該項(xiàng)參數(shù)不需要設(shè)置，標(biāo)號(hào)△表示該項(xiàng)參數(shù)是變動(dòng)的[10，11]。

表2 浸潤(rùn)性VOF仿真參數(shù)Table 2 Wetted VOF simulation parameters

在VOF模型分析中為了避免進(jìn)行液相壓力計(jì)算，一般選取密度較小的氣象，且初始流體分布一般采用流體體積分?jǐn)?shù)來表示。上述方法不僅可以改善動(dòng)量平衡計(jì)算，還有利于迭代的收斂[11-13]。

1.1.2 V形微溝槽結(jié)構(gòu)仿真

將鋁作為V形微溝槽的材料，水滴的半徑設(shè)定為0.125 m，水滴撞擊到表面初始速度設(shè)置為0.4 m/s，則V形微溝槽表面的疏水性仿真如圖2所示。由圖2可知，該仿真呈現(xiàn)出水滴撞擊微溝槽表面到水滴最終處于穩(wěn)定狀態(tài)的一個(gè)過程。水滴最開始以0.4 m/s的速度撞擊微溝槽后，水滴表現(xiàn)出鋪平展開的行為，緊接著很快又收縮并向上方彈起，但水滴本身并沒有離開微溝槽表面，在不斷重復(fù)經(jīng)歷上述過程后，水滴最終在微溝槽表面達(dá)到一種平衡的狀態(tài)。

1.1.3 圓形微溝槽結(jié)構(gòu)仿真

水滴的半徑設(shè)定為0.125 mm，水滴撞擊到表面的初始速度設(shè)置為0.4 m/s。圓形微溝槽表面的疏水性仿真如圖3所示。從圖3可知，水滴在圓形微溝槽表面同樣也經(jīng)歷了V形微溝槽表面的運(yùn)動(dòng)過程，但不同的是，即使初始速度已經(jīng)達(dá)到V形微溝槽的1.7倍，水滴依舊無法全部離開微溝槽表面，而是在不斷地重復(fù)鋪開、收縮、彈起、回落這一過程，最后水滴也處于一種平衡狀態(tài)。

1.1.4 矩形微溝槽結(jié)構(gòu)仿真

水滴的半徑設(shè)定為0.125 mm，水滴撞擊到表面的初始速度設(shè)置為0.4 m/s。水滴在矩形微溝槽表面同樣也經(jīng)歷了上述2種微溝槽的運(yùn)動(dòng)行為過程，具體呈現(xiàn)出鋪展、收縮、彈起、回落這樣一個(gè)過程，且全程未離開表面。圓形微溝槽表面的疏水性仿真如圖4所示。

1.1.5 微溝槽結(jié)構(gòu)浸潤(rùn)性仿真結(jié)果分析

根據(jù)上述仿真結(jié)果，通過Fluent軟件進(jìn)行后處理得到了水滴在3種微溝槽表面的接觸角，如圖5所示。接觸角大小測(cè)量方法是分別測(cè)量水滴左右兩側(cè)的接觸角θ1和θ2，然后取兩接觸角大小的平均值θ。通過測(cè)量可得，V形微溝槽：θ1=152.0°，θ2=153.0°，其平均值θ=152.5°。矩形微溝槽θ1=125.0°，θ2=124.0°，其平均值θ=124.5°。圓形微溝槽：θ1=130.0°，θ2=128.0°，其平均值θ=129.0°。根據(jù)上述參數(shù)對(duì)比可知，3種微溝槽在所設(shè)定的特征尺寸下都具有疏水性，疏水性大小依次為：V形微溝槽>圓形微溝槽>矩形微溝槽。

1.2 覆冰試驗(yàn)

1.2.1 輸電線路涂層的微觀結(jié)構(gòu)

根據(jù)微溝槽結(jié)構(gòu)浸潤(rùn)性仿真結(jié)果可知，V形微溝槽結(jié)構(gòu)在3種結(jié)構(gòu)中其疏水性最好。故在覆冰試驗(yàn)中，采用能使輸電線路生成類似V形微溝槽結(jié)構(gòu)的新型疏水性涂料，即ZS-711、ZS-611防冰雪涂料[14]。

由于涂料噴涂在輸電線路表面后會(huì)改變其表面微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響輸電線路表面的的疏水性能，所以需要對(duì)其表面微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行觀察。分別用ZS-711和ZS-611防冰雪涂料對(duì)直徑為3 mm鋁線進(jìn)行處理，再使用電子顯微鏡(FESEM，Sigma300，Zeiss)對(duì)試樣分別進(jìn)行觀察，其結(jié)果如圖6所示。

從圖6可知，未經(jīng)任何噴涂處理的試樣，其表面較粗糙，晶粒形貌不規(guī)則，沒有明顯的取向性(圖6c)；經(jīng)過ZS-711處理后的試樣，其表面呈現(xiàn)出褶皺的形貌，呈現(xiàn)出類似V形槽的形狀(圖6a)；經(jīng)過ZS-611處理后的試樣，其表面也有類似V形槽的形貌(圖6b)。

1.2.2 試驗(yàn)材料和儀器

輸電線路覆冰試驗(yàn)所需要的材料和設(shè)備主要有：輸電鋁絞線、疏水性涂料、噴壺、低溫試驗(yàn)箱、電子秤、烘干機(jī)、系統(tǒng)支架、數(shù)碼相機(jī)、直尺等。

1.2.3 試驗(yàn)方法

(1)使用高壓噴壺將疏水性涂料均勻噴涂到輸電線路表面，然后將其置于常溫下2 h。

(2)為了更好地模擬自然界中輸電線路表面覆冰的真實(shí)形成過程，將冰柜環(huán)境設(shè)置為-12.5 ℃，將待測(cè)輸電線路放入冰柜內(nèi)的系統(tǒng)支架上，然后預(yù)冷20 min左右，待輸電線路表面溫度與冰柜內(nèi)實(shí)時(shí)溫度相同后，每隔3 min用噴壺將液態(tài)水噴射到輸電線路上以此使其形成覆冰。

(3)為了準(zhǔn)確了解輸電線路表面覆冰的狀態(tài)，每30 min對(duì)輸電線路表面覆冰狀態(tài)進(jìn)行一次拍照記錄，同時(shí)對(duì)輸電線路表面覆冰重量進(jìn)行一次稱重，單次試驗(yàn)所需時(shí)間為3 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 未經(jīng)處理的鋼芯鋁絞線表面覆冰試驗(yàn)

未經(jīng)處理的鋼芯鋁絞線表面覆冰狀態(tài)如圖7所示。通過測(cè)量不同時(shí)間的覆冰長(zhǎng)度及質(zhì)量，得出如表3所示6個(gè)時(shí)刻未經(jīng)處理的鋼芯鋁絞線表面覆冰詳細(xì)情況。

表3 未經(jīng)處理的鋼芯鋁絞線表面覆冰情況Table 3 Ice coating on the surface of untreated steel core aluminum stranded wire

從圖7和表3可知，覆冰試驗(yàn)僅開始30 min其冰垂長(zhǎng)度就達(dá)到了3.5 cm，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼芯鋁絞線表面的覆冰厚度以及冰垂長(zhǎng)度都在快速地增加。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到180 min時(shí)，冰垂的長(zhǎng)度已經(jīng)達(dá)到了11.5 cm，且覆冰的質(zhì)量達(dá)到了302 g，該覆冰質(zhì)量達(dá)到了鋼芯鋁絞線本身質(zhì)量的約1/3。

2.2 經(jīng)過噴涂ZS - 611處理的鋼芯鋁絞線表面覆冰試驗(yàn)

經(jīng)噴涂ZS-611處理的鋼芯鋁絞線表面覆冰狀態(tài)如圖8所示。通過測(cè)量不同時(shí)間的覆冰長(zhǎng)度及質(zhì)量，得出如表4所示6個(gè)時(shí)刻的鋼芯鋁絞線表面覆冰詳細(xì)情況。

表4 噴涂ZS-611的鋼芯鋁絞線表面覆冰情況Table 4 Surface ice weight of ZS-611 coated steel core al strand

由圖8、表4可知，經(jīng)ZS-611處理后的鋼芯鋁絞線，經(jīng)歷60 min覆冰試驗(yàn)，其冰垂長(zhǎng)度才達(dá)到未經(jīng)處理的鋼芯鋁絞線30 min覆冰試驗(yàn)的冰垂長(zhǎng)度。隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼芯鋁絞線表面主要是以粒狀的冰晶為主，冰垂的長(zhǎng)度在緩慢地增加。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到180 min時(shí)，冰垂的長(zhǎng)度達(dá)到了7.6 cm，覆冰的質(zhì)量達(dá)到102 g，該覆冰質(zhì)量超過了鋼芯鋁絞線本身質(zhì)量的1/5。

2.3 經(jīng)過噴涂ZS - 711處理的鋼芯鋁絞線表面覆冰試驗(yàn)

經(jīng)噴涂ZS-711處理的鋼芯鋁絞線表面覆冰狀態(tài)如圖9所示。通過測(cè)量不同時(shí)間的覆冰長(zhǎng)度及質(zhì)量，得出如表5所示6個(gè)時(shí)刻的鋼芯鋁絞線表面覆冰詳細(xì)情況。

表5 噴涂ZS-711的鋼芯鋁絞線表面覆冰情況Table 5 Surface ice weight of ZS-711 coated steel core aluminum stranded wire

由表6可知，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到180 min時(shí)，冰垂的長(zhǎng)度為6.7 cm，覆冰的質(zhì)量為85 g，該覆冰質(zhì)量不到鋼芯鋁絞線本身質(zhì)量的1/5。

2.4 試驗(yàn)情況對(duì)比

由表3～表5得出經(jīng)不同方式處理過的鋼芯鋁絞線覆冰情況中的冰垂長(zhǎng)度、單位長(zhǎng)度覆冰量與覆冰時(shí)間的關(guān)系如圖10～圖12所示。

由圖10～12可得，未經(jīng)處理鋼芯鋁絞線前120 min內(nèi)冰垂長(zhǎng)度基本成線性增長(zhǎng)，120～150 min內(nèi)增速減緩，隨后增速又基本恢復(fù)到120 min內(nèi)的水平；單位長(zhǎng)度覆冰量基本成線性增長(zhǎng)，由于其增速較快，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)對(duì)電纜造成巨大的壓力，當(dāng)積累到一定量時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致輸電線路坍塌。噴涂ZS-611涂料的鋼芯鋁絞線與噴涂ZS-711涂料的鋼芯鋁絞線的冰垂長(zhǎng)度、覆冰量與覆冰時(shí)間基本呈現(xiàn)出線性關(guān)系，兩者的隨時(shí)間的增長(zhǎng)速率明顯慢于未經(jīng)處理鋼芯鋁絞線的，在一定程度上減緩了覆冰的形成，達(dá)到了對(duì)電纜的保護(hù)作用；并且噴涂ZS-711涂料的鋼芯鋁絞線覆冰增長(zhǎng)速率最慢，減緩覆冰形成的效果最好。

3 結(jié) 論

(1)運(yùn)用VOF法對(duì)V形、矩形和圓形3種微溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)其V形微溝槽結(jié)構(gòu)的疏水性最好。在此基礎(chǔ)上挑選ZS-611和ZS-711 2種能使電纜表面生成類V形微溝槽結(jié)構(gòu)的新型疏水性涂料，并通過電子顯微鏡觀察2種涂料在電纜上的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)相比未處理的試樣，經(jīng)ZS-611、ZS-711涂料處理后的試樣在疏水性方面都有較大的提升。

(2)分別對(duì)未處理的鋼芯鋁絞線、經(jīng)過ZS-611涂料處理的鋼芯鋁絞線、經(jīng)過ZS-711處理的鋼芯鋁絞線3組試樣進(jìn)行180 min的覆冰試驗(yàn)，并分別繪制出3組試樣冰垂長(zhǎng)度與時(shí)間、覆冰量與時(shí)間的關(guān)系圖。結(jié)果顯示未處理的覆冰質(zhì)量達(dá)到了322 g，冰垂的長(zhǎng)度達(dá)到了11.5 cm;經(jīng)過ZS-611處理后的試樣覆冰的質(zhì)量為102 g，冰垂的長(zhǎng)度為7.6 cm；經(jīng)ZS-711覆冰的質(zhì)量為85 g，冰垂的長(zhǎng)度為6.7 cm。由此表明，同試驗(yàn)條件下經(jīng)過ZS-711處理后的鋼芯鋁絞線不管是在覆冰量還是冰垂長(zhǎng)度都優(yōu)于另外2組試樣，同時(shí)也從側(cè)面驗(yàn)證了V形微溝槽具有優(yōu)良的防覆冰性能。