CN103729524A - 一种输电导线大电流融冰的数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电导线大电流融冰数值模拟方法，建立输电导线、冰区和空气场的二维融冰计算模型，对计算模型进行三角形网格划分，冰区三角形网格最长边的长度不大于0.3mm，计算得到冰区的实时温度T，利用该实时温度T计算输电导线冰区覆冰单元的相变率β，应用UDF设置动网格开展融冰计算，提取输电导线边界冰区覆冰单元的相变率，当相变率大于0.999时，将输电导线边界移动到该覆冰单元，整个计算直至导线边界移动距离大于等于覆冰厚度时停止。本发明可以很好的捕捉由于融冰引起的界面运动和变形位置，能获得准确的温度场和冰水的体积变化过程，计算导线融冰中环境温度、风速、冰厚、融冰电流和时间的关系，得到导线融冰特性曲线。

Description

一种输电导线大电流融冰的数值模拟方法

技术领域

本发明涉及计算机辅助工程分析方法,特别是一种输电导线大电流融冰的数值模拟方法。

背景技术

输电线路覆冰是电力系统的自然灾害之一。由于导线上增加了冰载荷，对线、铁塔和金具都会带来一定的机械损坏，覆冰严重时会断线、倒杆塔，导致大面积停电事故。目前国内外提出的防冰除冰方法约有30余种，分为热力融冰、机械除冰和自然脱冰等几类，其中热力融冰得到广泛的应用。融冰技术是利用大电流在导线上产生的热效应融化线路覆冰的技术。融冰具有高效、大面积的清除导线覆冰的特点。

大电流融冰基本原理就是将电能转化为热能融冰。冰的融化是一个伴随着相变、导热、对流和辐射同时存在的复杂传热过程。在融冰过程中，在冰区内部为相变融化、热传导过程；而在冰区外部为对流、辐射散热过程。在输电线路的融冰过程中，融冰电流和时间的选取是关键。针对不同规格导线、环境温度和风速，确定融冰电流和融冰时间，计算融冰特性曲线能有效指导现场实施融冰。

计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上变量之间的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。CFD可以看作是在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，可以得到及其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量（如速度、压力、温度、浓度等）的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定漩涡分布特性、空化特性及脱涡区等。

Fluent是由美国FLUENT公司于1983年推出的CFD软件，是目前处于世界领先地位的CFD软件之一，广泛用于模拟各种流体流动、传热、燃烧和污染物运移等问题。动网格技术就是为了适应计算区域的变化新发展出来的网格技术,它是通过拉伸、压缩网格或者增加、减少网格以及局部生成网格来适应计算区域的改变。

应用FLUENT软件对导线大电流融冰过程进行计算模拟，可以掌握融冰过程中的热交换过程以及相变过程，可以获取准确的融冰特性曲线。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种输电导线大电流融冰的数值模拟方法，捕捉由于融冰引起的界面运动和变形位置，获得准确的温度场和冰水的相变率变化过程，确定导线融冰中冰区的实时温度和融冰的时间。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种输电导线大电流融冰的数值模拟方法，该方法为：

1）建立输电导线、冰区和空气场的融冰计算模型：设定冰区为固相区，设定空气场为液相区；所述冰区截面为同心圆环，所述同心圆环内环对应输电导线，所述同心圆环外为空气场；所述空气场宽度为输电导线直径的20倍，所述空气场长度为输电导线直径的60倍，输电导线截面中心在所述空气场长度中心线的1/5处；

2）将所述冰区和空气场划分为若干个三角形网格，其中所述冰区的三角形网格最长边的长度不大于0.3mm，所述空气场三角形网格最长边的长度为所述冰区三角形网格最长边长度的8～10倍；

3）在Fluent软件中初始化融冰计算模型：将所述空气场的上、下边设置为壁面，将所述空气场左边设置为速度进口，右边设置为压力出口，并为所述输电导线边界施加热流密度，将所述空气场环境温度设置为空气场和冰区的初始温度；

4）Fluent软件计算得到冰区的实时温度T，利用该实时温度T计算输电导线冰区覆冰单元的相变率β；

5）通过Fluent软件的UDF函数设置动网格进行融冰计算：依次提取输电导线边界冰区覆冰单元的相变率，当所述相变率大于0.999时，获取所述覆冰单元在竖直方向的长度值y1，将所述输电导线边界在竖直方向上移动一个覆冰单元的长度y1，然后利用Fluent软件对输电导线周围的冰区三角形网格进行局部网格重组，以获得符合要求的网格；当三角形网格最长边的长度不大于0.3mm，且网格不存在畸变时，三角形网格符合要求；

6）将步骤4）计算得到的实时温度T作为空气场和冰区的初始温度，重复步骤4）～步骤5），直到当导线边界移动距离大于等于所述冰区厚度时停止计算，完成融冰计算；

7）Fluent软件输出融冰时间，所述融冰时间即为第一次计算实时温度T开始的时间到融冰完成的时间。

所述步骤4）中，冰区覆冰单元的相变率β的计算公式为：

$\mathrm{\β}=\frac{T-T_{\mathrm{solidus}}}{T_{\mathrm{liquidus}}-T_{\mathrm{solidus}}},$

其中，T_solidus为水的固化温度，T_liquidus为冰的液化温度，当T＜T_solidus时，β为0，当T＞T_liquidus时，β为1。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明可以很好地捕捉由于融冰引起的界面运动和变形位置，能获得准确的温度场和冰水的相变率变化过程，计算导线融冰中冰区的实时温度和融冰时间，从而指导输电线路开展大电流融冰工作，保护导线不受损伤。

附图说明

图1为本发明一实施例方法流程图；

图2为本发明一实施例冰区、空气场计算模型示意图；

图3为本发明一实施例融冰过程中温度场的变化图；图3（a）为计算初始状态温度场示意图；图3（b）为融冰开始状态温度场示意图；图3（c）为融冰中间状态温度场示意图；图3（d）为融冰结束状态温度场示意图；

图4为本发明一实施例融冰过程中速度场的变化图；图4（a）为计算初始状态速度场示意图；图4（b）为融冰开始状态速度场示意图；图4（c）为融冰中间状态速度场示意图；图4（d）为融冰结束状态速度场示意图；

图5为本发明一实施例融冰过程中冰水相变率的变化图；图5（a）为计算初始状态冰水相变率示意图；图5（b）为融冰开始状态冰水相变率示意图；图5（c）为融冰中间状态冰水相变率示意图；图5（d）为融冰结束状态冰水相变率示意图；

图6为本发明一实施例融冰电流与时间曲线图；

图7为本发明一实施例覆冰厚度与融冰时间曲线图；

图8为本发明一实施例风速与融冰时间曲线图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的方法包括以下步骤：

第一步，建立导线融冰计算模型；

建立导线、冰区和空气场计算模型，计算域分为两个子区域：一个固相区——冰区，另一个液相区——空气场。如图2所示，中间圆为导线1，外围的圆环为冰区2，冰区外围为空气场3。

第二步，计算模型的网格划分；

根据计算模型区域划分不同密度的网格单元。

第三步，边界条件和动网格设置；

空气场的上、下边设置为壁面，左边设置为速度进口，右边设置为压力出口，为导线边界施加热流密度。空气场和冰区的初始条件设置计算域内温度为空气场环境温度。Fluent软件采用控制容积法，用中心差分格式和一阶迎风格式离散压力项、对流项和能量项，用SIMPLE算法解耦压力和速度，并对速度项、压力项、能量项的亚松弛因子进行修正，得到冰层温度。

以UDF控制导线边界移动，应用局部网格重组法对运动边界附近区域的网格进行重组。采用局部网格重组法可以将那些超出了网格斜度或尺寸标准的质量较差的网格合并并重新划分网格，如果新生成的网格满足了斜度及尺寸标准，则新的网格被采用，反之则会被摒弃。

移动距离大于冰场厚度，停止计算。

第四步，融冰计算及数据提取。

完成融冰计算过程，提取融冰中环境温度、风速、覆冰厚度、融冰电流和时间等数据量及变化图。

时间：开始计算到整个计算的时间

实例：对LGJ300/40导线在环境温度-3℃、融冰电流1000A、覆冰厚度10mm和风速3m/s的条件下融冰为例，计算导线融冰过程中各参数的变化情况。

1、建立导线融冰计算模型。建立导线、冰区和空气场计算模型，计算域分为两个子区域：一个固相区——冰区，另一个液相区——空气场。其中，中间圆为导线，外围的圆环为覆冰区，冰区外围为空气场。

2、计算模型的网格划分。根据计算模型区域划分不同密度的网格单元，所有网格均为三角形网格，冰区网格稠密，网格尺寸为0.3mm，空气场网格较稀疏，网格尺寸为冰区网格尺寸的10倍，中为过渡网格。

3、边界条件和动网格设置。上、下边设置为壁面，左边设置为速度进口，右边设置为压力出口，导线边界施加热流密度。初始条件设置计算域内温度为环境温度。求解采用控制容积法，用中心差分格式和一阶迎风格式离散压力项、对流项和能量项，用SIMPLE算法解耦压力和速度，并对速度项、压力项、能量项的亚松弛因子进行修正。

以UDF控制导线边界移动，通过提取导线边界覆冰单元的相变率，当相变率大于0.999时，导线边界移动到该覆冰单元，当导线边界移动距离大于等于覆冰厚度时计算终止。应用局部网格重组法对运动边界附近区域的网格进行重组。采用局部网格重组法可以将那些超出了网格斜度或尺寸标准的质量较差的网格合并并重新划分网格，如果新生成的网格满足了斜度及尺寸标准，则新的网格被采用，反之则会被摒弃。

4、融冰计算及数据提取。完成融冰计算过程，提取融冰中环境温度、风速、覆冰厚度、融冰电流和时间等数据量及变化图。图3、4、5分别为融冰过程中温度场、速度场和冰水相变率的变化图，图6、7、8分别为融冰电流与时间曲线、覆冰厚度与融冰时间曲线、风速与融冰时间曲线。

Claims (2)

1.一种输电导线大电流融冰的数值模拟方法，其特征在于，该方法为：

1）建立输电导线、冰区和空气场的融冰计算模型：设定冰区为固相区，设定空气场为液相区；所述冰区截面为同心圆环，所述同心圆环内环对应输电导线，所述同心圆环外为空气场；所述空气场宽度为输电导线直径的20倍，所述空气场长度为输电导线直径的60倍，输电导线截面中心在所述空气场长度中心线的1/5处；

2）将所述冰区和空气场划分为若干个三角形网格，其中所述冰区的三角形网格最长边的长度不大于0.3mm，所述空气场三角形网格最长边的长度为所述冰区三角形网格最长边长度的8～10倍；

3）在Fluent软件中初始化融冰计算模型：将所述空气场的上、下边设置为壁面，将所述空气场左边设置为速度进口，右边设置为压力出口，并为所述输电导线边界施加热流密度，将所述空气场环境温度设置为空气场和冰区的初始温度；

4）Fluent软件计算得到冰区的实时温度T，利用该实时温度T计算输电导线冰区覆冰单元的相变率β；

5）通过Fluent软件的UDF函数设置动网格进行融冰计算：依次提取输电导线边界冰区覆冰单元的相变率，当所述相变率大于0.999时，获取所述覆冰单元在竖直方向的长度值y1，将所述输电导线边界在竖直方向上移动一个覆冰单元的长度y1，然后利用Fluent软件对输电导线周围的冰区三角形网格进行局部网格重组，以获得符合要求的网格；当三角形网格最长边的长度不大于0.3mm，且网格不存在畸变时，三角形网格符合要求；

6）将步骤4）计算得到的实时温度T作为空气场和冰区的初始温度，重复步骤4）～步骤5），直到当导线边界移动距离大于等于所述冰区厚度时停止计算，完成融冰计算；

7）Fluent软件输出融冰时间，所述融冰时间即为第一次计算实时温度T开始的时间到融冰完成的时间。

2.根据权利要求1所述的输电导线大电流融冰的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤4）中，冰区覆冰单元的相变率β的计算公式为：

$\mathrm{\β}=\frac{T-T_{\mathrm{solidus}}}{T_{\mathrm{liquidus}}-T_{\mathrm{solidus}}},$

其中，T_solidus为水的固化温度，T_liquidus为冰的液化温度，当T＜T_solidus时，β为0，当T＞T_liquidus时，β为1。

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