基于多相流理论的导线覆冰过程研究

论文摘要

覆冰的机理性研究是国内外亟待解决的技术难题,由于覆冰受气象因数影响复杂,各影响因素在自然条件下随时间的多变性与随机性,使得覆冰机理的研究比较困难。目前对雾凇覆冰的增长规律比较成0熟,但导线覆冰所涉及的微观物理过程以及雨凇增长的数学物理模型还没有得到实质性进展,这对于导线覆冰在线监测及预警的特征信息参量提取以及各种输电线路设备除冰防冰等工程问题的解决造成很大不利。本文主要对多相流条件下导线表面的覆冰问题进行了理论阐述,并描述了欧拉模型下多相流中水滴、空气、固相（冰层）的控制方程,对含有水滴的多相流碰撞导线并在导线表面发生覆冰时产生界面移动的情况进行了简化,分析了覆冰过程中冰-水、水-大气界面处的热平衡过程,根据多相流的连续方程、动量方程、能量方程以及界面平衡理论得到了一定气象参数下导线表面冰层及水膜厚度的简单时变增长模型,得出导线表面水膜的厚度大小对覆冰厚度有影响,而冰层及水膜内的温度梯度变化也会使得导线覆冰厚度发生变化,水膜厚度,覆冰厚度以及水膜及冰层内的温度分布存在耦合关系。本文在多相流中还引入了一种无需进行反复寻找、插值计算流场而得到水滴碰撞特性的欧拉法,采用此法在计算流体力学软件Fluent中分析了风速、水滴直径、导线半径及冰形对水滴碰撞特性的影响,得出水滴中值直径、风速越大,导线表面局部碰撞系数也越大,而导线直径的减小会使得水滴碰撞系数增大。同时本文在Fluent中对光滑圆柱体以及实际钢芯铝绞线表面的对流情况进行了模拟,并与以往研究对比,验证其可行性,得到雷诺数在104-7*104范围内四种不同型号钢芯铝绞线表面的努珊数经验公式。本文基于瞬态法搭建实验平台,研究了覆冰过程冻结温度及覆冰水电导率对冰层导热率的影响,得出冰层导热率与冻结温度、覆冰水电导率有关。当温度降低,导热率增大,温度降低到一定程度后,导热率随温度的降低不太明显;电导率增加会导致导热率下降,其下降的程度与冻结温度有关,温度越低下降越平缓。在0-5°C大气环境中,覆冰过程冰层导热率变化非常剧烈,当覆冰温度在-5°C时,电导率从25.49μS增加到1791μS,导热率下降了20.5%。因此在对实际线路覆冰研究中,应该考虑覆冰水电导率对导热率的影响,假定恒定的冰层导热率对于覆冰增长及融冰过程有一定的误差。本文对覆冰过程的微观机理进行了研究,为覆冰模型的进一步完善提供了重要参考,而碰撞系数及对流传热系数计算所涉及的新方法也有助于应用流体力学软件Fluent进行覆冰软件的二次开发,具有比较重要的参考价值。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究课题的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 输电线路覆冰的形成、性质与分类
• 1.2.2 覆冰机理研究现状及存在问题
• 1.2.3 与覆冰有关的物理参数
• 1.3 本文的主要研究内容
• 1.4 本章小结
• 2 基于多相流理论的导线覆冰过程分析
• 2.1 引言
• 2.2 多相流控制理论
• 2.2.1 多相流中各相区的通用输运方程
• 2.2.2 连续方程
• 2.2.3 动量方程
• 2.2.4 能量方程
• 2.3 多相流中导线表面的简单覆冰增长模型
• 2.4 本章小结
• 3 导线覆冰过程涉及参数的数值模拟及实验研究
• 3.1 基于欧拉法的碰撞系数数值模拟
• 3.1.1 基于两相流欧拉法的控制方程
• 3.1.2 欧拉模型的验证
• 3.1.3 导线直径对过冷却水滴碰撞特性的影响
• 3.1.4 过冷却水滴直径对碰撞特性的影响
• 3.1.5 液态水含量对过冷却水滴碰撞特性的影响
• 3.1.6 风速对碰撞特性的影响
• 3.1.7 不同覆冰外形对碰撞系数的影响
• 3.2 钢芯铝绞线在两相绕流中对流传热系数的数值模拟
• 3.2.1 光滑导线外的对流传热系数模拟
• 3.2.2 钢芯铝绞线外的对流传热系数模拟
• 3.3 冻结温度及结冰水电导率对冰层导热率影响的实验研究
• 3.3.1 导热率测量原理
• 3.3.2 试验方法及步骤
• 3.3.3 试验结果及其分析
• 3.4 本章小结
• 4 覆冰参数对导线覆冰影响的仿真分析
• 4.1 实验装置
• 4.2 不同覆冰参数对导线覆冰增长影响的模拟
• 4.3 导线表面覆冰临界条件分析
• 4.4 本章小结
• 5 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目目录