基于流體力學(xué)的覆冰地區(qū)用復(fù)合絕緣子傘裙結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、現(xiàn)有傘型結(jié)構(gòu)的復(fù)合絕緣子在覆冰地區(qū)易被冰凌橋接，且其冰閃特性并不明顯優(yōu)于瓷和玻璃絕緣子，覆冰及其冰凌橋接傘裙已成為制約復(fù)合絕緣子在覆冰地區(qū)應(yīng)用的重要因素。覆冰是氣流中過冷卻水滴與絕緣子碰撞的流體力學(xué)過程，因此從覆冰過程中的流體力學(xué)特性角度來分析計(jì)算不同傘型結(jié)構(gòu)復(fù)合絕緣子的水滴撞擊特性，可實(shí)現(xiàn)合理設(shè)計(jì)和選擇覆冰地區(qū)復(fù)合絕緣子傘型結(jié)構(gòu)的目的。 由于復(fù)合絕緣子外部的三維空氣繞流流場(chǎng)和水滴顆粒運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，使用解析法對(duì)其進(jìn)行求解十分困難

2、，雖利用風(fēng)洞人工模擬覆冰過程中復(fù)合絕緣子的水滴撞擊特性較為直觀和理想，但試驗(yàn)裝置建設(shè)困難，且試驗(yàn)周期長(zhǎng)、經(jīng)費(fèi)投入多，人力物力消耗大，而且受到測(cè)量精度等的限制。因此借助于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)來研究覆冰條件下復(fù)合絕緣子外部流場(chǎng)的流動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化復(fù)合絕緣子的傘裙結(jié)構(gòu)，可以大大縮短研發(fā)周期，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。 本文根據(jù)流體力學(xué)的基本原理和覆冰氣象下復(fù)合絕緣子外部氣液兩相流場(chǎng)的物理特征，建立了合適的數(shù)值模擬模型和方法，分別采用

3、標(biāo)準(zhǔn)K-ε湍流模型和顆粒軌道模型對(duì)空氣連續(xù)相和水滴離散相的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。在此基礎(chǔ)上運(yùn)用CFD軟件FLUENT實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣流場(chǎng)和過冷水滴撞擊復(fù)合絕緣子表面過程的數(shù)值模擬，并結(jié)合人工覆冰試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可行性。本文分析了覆冰過程中復(fù)合絕緣子的水滴碰撞系數(shù)等水滴撞擊特性和自由來流速度(V)、水滴平均有效直徑(MVD)、絕緣子傘裙傾角、傘裙間距、傘裙直徑和傘裙直徑比等對(duì)水滴撞擊復(fù)合絕緣子表面特性的影響，得到以下主要結(jié)論： (1)

4、氣流中過冷卻水滴與復(fù)合絕緣子碰撞時(shí)其碰撞系數(shù)與傘裙結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此優(yōu)化傘裙結(jié)構(gòu)可減緩絕緣子覆冰。 (2)水滴平均有效直徑(MVD)和自由來流速度(V)影響復(fù)合絕緣子的覆冰特性。水滴碰撞系數(shù)、傘裙表面水滴撞擊范圍和傘裙表面局部的水滴碰撞系數(shù)均隨MVD和V的增大而增大，將造成復(fù)合絕緣子表面更為嚴(yán)重的覆冰。 (3)水滴碰撞系數(shù)隨傘裙上傾角的增大而減小，隨傘裙下傾角的增大而增大。 (4)水滴碰撞系數(shù)均隨傘裙直徑和相鄰傘裙直

5、徑比的增大而減小，其中，增大傘徑比是首選的要素。傘裙間距對(duì)水滴碰撞系數(shù)的影響相比于傘裙直徑和傘裙直徑比可以不被考慮。 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，基于覆冰特性，并綜合復(fù)合絕緣子的電氣特性，提出了應(yīng)用于覆冰地區(qū)的復(fù)合絕緣子傘裙結(jié)構(gòu)優(yōu)化的幾點(diǎn)建議： (1)傘裙上傾角選取15°、下傾角選取0°； (2)采用不等傘徑的傘裙組合，相鄰大傘之間可間插三個(gè)以上小傘，增大傘裙間的傘徑比； (3)相鄰傘裙間距應(yīng)大于30mm。 最