[发明专利]一种输电线覆冰过程的二维数值模拟方法

说明书

技术领域

本发明属于电力系统领域，涉及一种输电线覆冰过程的二维数值模拟方法,通过建立输电线覆冰增长数学模型及其仿真流程，对不同环境条件下雨淞、雾凇以及混合淞的增长过程进行仿真模拟。

背景技术

积聚在物体表面的水分因冻结而成冰（霜）的现象是一种分布相当广泛的自然现象。输电线路覆冰是一种发生相变的，与气象学、热力学、传热学、流体力学等有关的，受当地气象（微气象）、地形（微地形）以及输电线表面条件等控制的自然随机过程。然而对于电力系统，覆冰则是自然灾害，不易铲除，且破坏性强，它所造成的危害更是不可忽视的。输电线上的覆冰最厚可达100mm以上。由于特殊的地理及气象因素，我国是世界上输变电输电线覆冰灾害最严重的国家之一，尤其是华中地区，这对电网运行造成了严重的灾害。

过去70多年来，世界各国针对输电线覆冰的问题进行了广泛的研究，通常采用覆冰实地观察或实验研究、工程算法和数值模拟等手段。相较覆冰实地观察和实验研究而言，覆冰增长的数学物理模型，由于其高效性和经济性，即使其结果仍然需要实验验证，仍然引起了广泛的研究兴趣。自20世纪80年代起，国外就开始采取数值模拟的方法研究输电线的覆冰过程与机理。人们开始有可能通过数值模型获取的数据，而进一步仿真模拟一定条件下的冰形。而此前，只能依赖实验观测冰形。然而，这些数值模型都有一定的局限性，其仿真结果的描述都主要依靠研究者的个人解释。作为其中一位比较突出的研究人员，Makkonen提出了一个数值模型，以揭示冰荷载的增长与相关气象条件之间的关系。这种模型通过边界层理论预估了圆柱体的换热系数，并同时考虑了表面粗糙度的影响。在忽视冰形变化的情况下仅考虑冰柱大小的变化，该模型的参数，如碰撞率，换热系数和覆冰密度，都是随时间变化而及时地更新。Lozowsk等人介绍了另外一种模型，以模拟在无加热和无旋转的圆柱体上的雾凇或雨凇增长。应该指出，Makkonen和Lozowsk模型的热力学条件和初始覆冰率均假设为绕圆柱角度θ（定义来流方向θ=0°）的函数；且二者的计算均采用了经典的Messinger方程。同时需要注意的是，Lozowsk模型是一个伪时间模型。

近期研制的覆冰数值模型往往更全面，因此，也更复杂。某些大量耗时的因素，如动态气流的计算和水滴轨迹的计算，也被纳入模型代码中，从而使冰形的几何变化成为模型计算参数的考虑之一。局部换热系数(HTC)在覆冰湿增长过程中对冰形的变化起决定性作用，因而是这些参数中必不可少的。从20世纪90年代以来，含这些新功能的覆冰模型已成为典型模型，如美国航天局的LEWICE模型，CANICE模型和加拿大的FENSAP-ICE模型。此外，其中的一些覆冰模型已升级到3D计算。

上述大部分研究进展，是为了解决飞机翼型积冰问题；而在输电线覆冰研究领域方面则少有同等进展。飞机翼型积冰问题与输电线覆冰问题在许多方面需要面对的问题完全不一样。首先，飞机翼型积冰主要发生在高速气流和小的液滴条件下；而输电线覆冰则发生在相对较低的空气速度下，且液滴的大小将随云中覆冰或降雨覆冰等不同的覆冰气象条件在较大范围内发生变化。因此，在输电线覆冰问题中开展水滴轨迹计算，应该跟在翼型积冰中的计算不一样。其次，在覆冰湿增长条件下，输电线表面的水膜并不像翼型覆冰那样简单地假定为从其停滞点开始运动。后者的假设是正确的，尤其是高风速条件下，气动力是远远大于重力的。最后，飞机翼型可视为固定不动的；而输电线是高度灵活的，往往在非对称的覆冰情况下发生扭转。

国内近几年才开始采用数值模拟方法研究飞机积冰过程，对输电线覆冰过程的数值模拟方法还未见报道。蒋新良提出了一种较完善的流体力学模型，得出单位时间内单位长度导线上的覆冰量概念，但该模型并没有考虑到冰形的局部几何变化。

发明内容

鉴于以上不足，本发明基于拉格朗日法提出一种输电线表面雾凇覆冰过程的二维数值仿真方法。采用同位网格上的SIMPLE算法求解非定常不可压缩流动的RANS方程和SST-k-ω湍流模型以获得空气流场；采取拉格朗日法跟踪流场中过冷水滴的运动轨迹得到输电线表面各控制体的瞬时局部碰撞率；求解基于Messinger控制容积法建立的覆冰热力学方程以获得各控制体的雾凇覆冰温度，并结合覆冰时间推进法模拟覆冰过程。结果表明，预测的冰形与文献中的试验测量数据吻合较好，表明本发明的方法是可行和有效的。

依据本发明的一种输电线覆冰过程的二维数值模拟方法，包括：