一种基于数值仿真模型分析临界覆冰类型的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数值仿真模型分析临界覆冰类型的方法，包括：建立二维导线几何模型和空气流场模型，并求解得到空气流场分布；建立水滴受力平衡方程，根据所述水滴受力平衡方程获得水滴的运动方程，根据所述水滴运动方程和所述空气流场分布获得水滴的运动轨迹，根据所述水滴的运动轨迹获得导线碰撞系数；建立导线覆冰热平衡方程，根据所述导线覆冰热平衡方程建立导线覆冰冻结系数；获得雨凇和雾凇的临界条件，结合所述导线碰撞系数和所述导线覆冰冻结系数，得到在雨凇和雾凇的临界条件下，临界环境温度和临界液态水含量随外界环境因素的变化关系，根据所述变化关系和实际的气象条件来判断覆冰类型。可广泛的应用于输电线路覆冰类型预测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数值仿真模型分析临界覆冰类型的方法
本专利技术涉及输电线路覆冰预测的领域，具体涉及一种基于数值仿真模型分析临界覆冰类型的方法。
技术介绍
输电线路覆冰严重影响电网的安全稳定运行，极端天气情况的出现使得输电线大面积覆冰事件频发，导致输电线路断线、导线舞动、倒塔、绝缘子闪络等事故，给电网部门造成巨大的经济财产损失。到目前为止，对于输电线覆冰的数值模拟研究主要涉及导线的碰撞特性和冻结特性，数值求解方法繁多，但不同的覆冰类型其对应的覆冰增长模型会略有差异，因此分析覆冰类型对提高覆冰预测的准确性和输电线路部门预防覆冰灾害具有重要的参考价值。
技术实现思路
针对目前输电线路对覆冰类型分析存在的一些问题，本专利技术提供的基于数值仿真模型分析临界覆冰类型的方法在考虑导线碰撞系数和导线覆冰冻结系数的基础上，来预测覆冰类型，为电力运行部门实现覆冰类型预测提供重要的参考价值。为达到上述目的，本专利技术提供一种基于数值仿真模型分析临界覆冰类型的方法，包括步骤：建立二维导线几何模型和空气流场模型，并求解得到空气流场分布；...

【技术保护点】
1.一种基于数值仿真模型分析临界覆冰类型的方法，其特征在于，包括如下步骤：/n建立二维导线几何模型和空气流场模型，并求解得到空气流场分布；/n建立水滴受力平衡方程，根据所述水滴受力平衡方程获得水滴的运动方程，根据所述水滴运动方程和所述空气流场分布获得水滴的运动轨迹，根据所述水滴的运动轨迹获得导线碰撞系数；/n建立导线覆冰热平衡方程，根据所述导线覆冰热平衡方程建立导线覆冰冻结系数；/n获得雨凇和雾凇的临界条件，结合所述导线碰撞系数和所述导线覆冰冻结系数，得到在雨凇和雾凇的临界条件下，临界环境温度和临界液态水含量随外界环境因素的变化关系，根据所述变化关系和实际的气象条件来判断覆冰类型。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于数值仿真模型分析临界覆冰类型的方法，其特征在于，包括如下步骤：
建立二维导线几何模型和空气流场模型，并求解得到空气流场分布；
建立水滴受力平衡方程，根据所述水滴受力平衡方程获得水滴的运动方程，根据所述水滴运动方程和所述空气流场分布获得水滴的运动轨迹，根据所述水滴的运动轨迹获得导线碰撞系数；
建立导线覆冰热平衡方程，根据所述导线覆冰热平衡方程建立导线覆冰冻结系数；
获得雨凇和雾凇的临界条件，结合所述导线碰撞系数和所述导线覆冰冻结系数，得到在雨凇和雾凇的临界条件下，临界环境温度和临界液态水含量随外界环境因素的变化关系，根据所述变化关系和实际的气象条件来判断覆冰类型。


2.根据权利要求1所述的一种基于数值仿真模型分析临界覆冰类型的方法，其特征在于，通过Fluent离散相模型求解空气流场分布，求解步骤为：
(1)以圆柱形导线的二维圆柱截面为研究对象，将二维导线几何模型置于空气流场中建立二维风洞模型，其中导线截面直径为D，风速入口距导线距离为25D，风速出口距导线距离为35D，上下壁面距导线距离为25D；
(2)划分网格；
(3)所述空气流场模型是指利用空气流场的连续方程和RANS方程以及标准k-湍流模型所建立的空气流场，使导线处于空气流场中，所述空气流场的连续方程和RANS方程为：






其中ρ为空气流体密度，t为时间，p为压力，vi和vj为空气速度分量，xi和xj为坐标分量，下标i和j分别表示笛卡尔坐标系中不同的坐标方向，为雷诺应力分量，根据Boussinesq涡粘假定：



k为单位质量流体湍流脉动动能，δij为克罗内克尔符号；
(4)采用标准k-ε湍流模型解决非定常不可压缩RANS方程的封闭问题，其中k，ε分别为：






ε为单位质量流体湍流脉动动能的耗散率，σk和σε分别为湍动能k和耗散率对应的Prandtl数，C1和C2为常系数，μt为湍流黏性系数，Gk为湍动能生成项；
(5)设置边界条件如下：
入口边界条件：设为速度入口，选择速度大小与实际情况一致，速度方向与入口方向平行，DPM选项设置为发射(wall-jet)，湍流强度和湍流特征尺度根据经验公式计算，湍流强度I＝0.16(Re)-1/8，湍流特征尺度L＝0.07l，l为风洞管道的水力学直径；Re为空气雷诺数；
出口边界条件：设为压力出口，出口处总压(guagepressure)设为0，DPM设置为逃逸(escape)；
壁面：上下两壁面和圆柱形导线壁面均设为无滑移边界条件，采用标准壁面函数处理，其中上下两壁面DPM设置为逃逸(escape)，圆柱形导线壁面设置为收集(trap)；
以空气速度和压力作为求解变量，利用有限体积法建立所述空气流场的连续方程和RANS方程的离散方程，气流动量、湍流动能和湍流耗散率选项均采用二阶迎风格式进行处理，速度-压力耦合的离散方程采用SIMPLE算法求解，从而得到空气流场分布。


3.根据权利要求2所述的一种基于数值仿真模型分析临界覆冰类型的方法，其特征在于，在划分网格时，在导线近壁面区域，采用局部加密的结构网格划分来提高计算精度；在远离导线的区域部分，采用低网格分辨率的三角形非结构性网格来提高计算速度。


4.根据权利要求1所述的一种基于数值仿真模型分析临界覆冰类型的方法，其特征在于，所述获得导线碰撞系数的步骤为：假设水滴的尺寸在体积分数小于10％时，可以忽略水滴颗粒间的互相影响及其对空气流场的影响；整个过程中水滴不发生形变、不分解、不参与热学过程，保持物理特性不变；作用在水滴上的作用力仅考虑粘性阻力、重力和空气浮力，根据上述假设，由水滴受力平衡方程得到过冷却水滴的运动方程：









式中，g为重力加速度，ρp为过冷却水滴密度，ρ为空气流体密度，fd为空气和液滴的交换系数，f为附着质量力矢量，v和u分别为空气流体和过冷却水滴的速度矢量，Re为过冷却水滴相对...

【专利技术属性】
技术研发人员：阳林，念路鹏，胡智浩，郝艳捧，李立浧，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44