نمذجة أثر الثلج وتراكم الجليد على السلطة خطوط مع (كفيد) في (آنسي) فلوتان

التعريف بتراكم الثلج والثلج على أجهزة الاتصال

وتشكل العواصف الناشطة تهديدا كبيرا لخطوط الطاقة العامة، إذ إن تراكم الثلج والجليد يضيف وزنا كبيرا، ويزيد من الحمولات الهوائية، ويمكن أن يؤدي إلى ضخ الموصلات، أو الفشل الهيكلي المفجع، أو حتى إلى الفشل الهيكلي المدمر، كما أن فهم الآليات المادية وراء تراكم المواد الجليدية أمر أساسي لتصميم شبكات نقل وتوزيع متينة.

فيزياء تسارع الجليد على خطوط الكهرباء

ويحدث تراكم الثلج على الموصلات العامة من خلال عدة آليات متميزة، تبعا لظروف الأرصاد الجوية:

In-cloud icing:] Supercooled water droplets in fog or clouds freeze on contact with the cold conductor surface, forming rime or glaze ice.
Precipitation icing:] Freezing rain or wet snow adheres to the line and freezes, often producing dense, heavy glaze ice.
Atmospheric icing from fog or drizzle:] Similar to in-cloud icing but at ground level, often leading to rapid accretion rates.

ويعتمد معدل وشكل نمو الجليد على سرعة الرياح، ودرجة الحرارة، وتوزيع حجم القطر، ومحتويات المياه السائلة، وصعوبة سطح الموصل ودرجته، ويتبع تراكم الثلج دينامية مختلفة: فعادة ما يساقط الثلج الجاف بسهولة، بينما يمكن للثلج الرطب أن يتراكم ويتراكم، لا سيما عندما يكون محرك الرياح.

لماذا تستخدمين "الـ "أنيسيز" الـ "باور سينج" في المحاكاة؟

وتوفر مؤسسة " إينيس " مجموعة شاملة من الأدوات اللازمة لتدفق متعدد المراحل، وتتبع الجسيمات، ونقل الحرارة، وهي أدوات حاسمة الأهمية في عمليات المحاكاة بالكتابة:

Eulerian-Lagrangian approach:] The continuous air phase is solved with the Navier-Stokes equations, while discrete snow or water droplets are tracked as Lagrangian particles.
Eulerian-Eulerian multiphase model:] For high droplet concentrations, the mixture or Eulerian model can treat both phases as interpenetrating continua.
Phase change modeling:] Built-in solidification/melting models simulate the freeze of supercooled droplets and melting of ice.
User-Defined Functions (UDFs):] Custom code can implement empirical accretion laws, ice density correlations, or de-icing heat flux profiles.

(أ) معيار الصناعة لهذه التحليلات بسبب الفيزياء المصدق عليها وقدرات التجهيز الموسعة لما بعد التجهيز، وتمكين المهندسين من تصوير الأشكال الجليدية، وتاريخ الحرارة، والحمولات الهوائية، وقدرة البرنامج على التحايل، وحتى في جميع فروعه، كما أن قابلية البرامج الحاسوبية للتنشيطات من موصلات وحيدة، ومجهزة بسلوكات مزودة بأجهزة بث مثبتة.

إنشاء الهندسة والميوش

وضع نموذج السلوك

بداية من بناء نموذج 3D من الجزء المتعلق بخطوط الطاقة، وفي حالات كثيرة، يكفي قسم مقطعي من 2D لالتقاط صور تسارع الجليد لأن الخط طويل، ويسود التدفق على أساس ثنائي الأبعاد حول الأسطوانة، غير أنه بالنسبة للموصلات المزودة بالبقود أو الآثار المعقدة للتضاريس، يلزم توفير نطاق كامل من 3D.

إنشاء الموصل كسلف مزود بالمقياس الفعلي (مثلاً، 30 مم إلى 50 مم للخطوط العامة النموذجية).
تحديد المجال الحاسوبي الذي يمتد إلى عدة مدونات سلوك في أعلى المجرى وفي أسفل المجرى (على الأقل 10 دال) لتجنب آثار الحدود.
استخدم طائرة تماثل إذا كان التدفق غير متماثل (مثلاً، الريح الأفقية الممتدة إلى الخط).
تطبيق نمط رفيع بالقرب من سطح السلوك مع قيم " ي+ " المناسبة لنموذج الاضطراب (y+ ng 1 لـ K-SST).

الشروط الأساسية والأوراق المادية

ويجب أن يكون المركب أيضاً، بالنسبة للمحاكاة، موزعاً على مواضع مختلفة أو مرحلة ثانوية، كما أن خصائص المواد الأساسية تشمل ما يلي:

Air:] Incompressible ideal gas or constant density; viscosity and thermal conductivity defined at ambient temperature (~-5°C to 0°C).
Water droplets:] density 1000 kg/m3, diameter typically 10 -50 mim (median volume diameter).
Ice:] density for rime ice (200-600 kg/m3) or glaze ice (900 kg/m3); thermal conductivity #2.2 W/(m);K.

تدفق متعدد المراحل وتعقب الجسيمات

نموذج المرحلة المفصلية (DPM) لسنو والقمامات

إن التدفق المميت للشركة هو المثالي للتدفقات المخففة (يتمسك جزء كبير منها بنسبة 10 في المائة) وتمتد الجسيمات بالحقن من النسيج مع معدل تدفق جماعي محدد، وسرعة تساوي الرياح، وتوزيع الحجم العشوائي بعد منحنى روسين - راملر، ويحسب المذيب مسارات الجسيمات التي تتجمد عند حدوث جر أو جاذبية أو تمزق في الاضطرابات.

Freezing fraction = (latent heat released)/(الحرارة المشددة) ] - إذا كان الجزأ مساوياً لـ 1، جمود المياه (جليد ضئيل)؛ وإذا كان أقل من 1، استمارات أفلام سائلة (جليد جليد غزير)

وبالنسبة للثلوج، تتوقف الكفاءة الملصقة على الرطب الجليدي ودرجة الحرارة السطحية. ويمكن للثلوج الجاف (الدرجة المتوسطة < 0°C) typically does not stick, while wet snow (>0 درجة مئوية] أن يتجمع ويبني.() ويمكن لمؤسسة UDF أن تدمج الروابط العملية من المؤلفات، مثل تلك الواردة من مختبر الطاقة المتجددة الوطني .

نموذج متعدد المراحل للغطس

وعندما يتجاوز حجم الانقطاع ١-٢ في المائة، تصبح إدارة شؤون الإعلام مكلفة من الناحية الحسابية وأقل دقة، بل تستخدم نموذج Eulerian المتعدد المراحل الذي يحل مجموعة مستقلة من الاستمرارية ومعادلات الزخم لمرحلتي الجو والمياه، وهذا النهج أفضل ملاءمة لظروف المياه السائلة العالية التي تُعد نموذجاً لتجميد الأمطار، ولا يزال يمكن تطبيق نموذج تسارع الجليد عن طريق موجة من التدفقات التي تستهلك الجليدية.

نقل الحرارة وتغيير المرحلة

النموذج التبسيطي/المتوسط

(أ) تشمل قوة الدفع التابعة للمؤسسة نموذجاً للترسيب/البطيخ يقوم على تركيبة مضخة للنسخة، وهذا أمر أساسي لحفز تجميد السقوط بعد الترسيب، ويمكن أن يكون النموذج في تركيبة متعددة المراحل أو إدارة التوليد، ويحدد نطاق درجات حرارة التغير التدريجي (مثلاً، 0.5 درجة مئوية إلى صفر درجة مئوية من الماء)، ويتبع النموذج 1 درجة حرارة سائلة في كل خلية؛

نقل Heat من أجل التسخين

وفي الواقع، تتأثر درجة حرارة الموصل بالتيارات الكهربائية (التدفئة من الجولات) وبظروف المحيط، ولإلقاء هذه الحالة، ينشئ منطقة صلبة داخل الموصل مع توليد حرارة الحجم (خسائر I2R)، ثم يتيح نقل حرارة إلى واجهة السائل الموحّد، وهذا الانقلاب حيوي لأن بعض درجات التدفئة السلوكية يمكن أن تمنع التكسير أو تسبب الارتطام، ولا سيما في السلوك العالي التكليل.

النموذج على شكل تسارع الجليد والنمو عبر الزمن

لا يشكل الثلج خلية موحدة؛ بل ينمو إلى أشكال معقدة مع قرون وريشات وثلاجات تغير السلوك الهوائي تغييراً عميقاً، ولتحفيز التطور الشكلي، يمكن أن يقترن بتقنيات مصباح أو إعادة تحطيم.

إدارة حل التدفق وتتبع الجسيمات لفترة قصيرة (مثل دقيقة واحدة من الزمن الحقيقي).
احسب الكتلة الجليدية المودعة على كل وجه من وجوه الجدار باستخدام تدفق الجسيمات وقطعة التجميد.
تحديث الهندسة عن طريق نقل خطوط الجدار إلى الخارج وفقاً لحجم الجليد وكثافة الثلج
حشرة سلسة تستخدم طبقة مشرقة دينامية أو طريقة سلسة
إعادة تكرار العملية إلى أن يتم بلوغ مجموع الوقت المطلوب للاستحقاق (مثل الساعة الواحدة).

وهذا النهج المتكرر، الذي كثيرا ما ينفذ عن طريق كتابة النصوص اليومية أو وحدات الدفاع الجوي الموحدة، ينتج أشكالا ثلجية واقعية يمكن التحقق منها في ضوء تجارب نفق الرياح، ويمكن عندئذ استخدام الهندسة الناتجة عن ذلك لتحليل التحميل الهيكلي أو لتحفيز المجاراة الناشئة عن عدم استقرارات الهواء.

Aerodynamic Loads and Galloping Instability

وعندما يتراكم الجليد، يصبح التقاطع بين الخط غير متماثل، مما يؤدي إلى رفع المسافات وسحب القوى التي يمكن أن تسبب تذبذبات كبيرة ومتوسطة معروفة بالتدفق، ويمكن للشبكة أن تقارن المعاملات الهوائية (C L, C D, C-M) التي تستخدم في شكل مذيبات متطورة تستخدم في وقت لاحق.

Critical wind speed:] The speed at which aerodynamic damping becomes negative.
Ice shape symmetry:] Even slight irregularities dramatically alter the lift slope.
Natural frequency of the span: Determined by tension, mass per unit length, and span length.

ويمكن للمهندسين استخدام هذه النتائج لتركيب أجهزة مكافحة البلوغ مثل الخناق المتدهورة أو الحيز الممتد، أو لزيادة التوتر في الموصل.

استراتيجيات إزالة الألغام ومكافحة الاتجار بالبشر: تقييمها

ولا تقتصر محاكاة الديوكسينات التراكمية على التنبؤ بالتراكم فحسب بل أيضاً لاختبار استراتيجيات التخفيف من آثار تغير المناخ:

التدفئة (النتيجة المرجوة)

ومن الوسائل المشتركة لمنع التكسير أن تزيد عن عمد الحمولة الحالية في الخط، مما يرفع درجة حرارة الموصل فوق درجة التجميد، ويمكن لغاز الفول أن يُضفي عليها طابعا ثابتا للحائط (مثلا 5 درجات مئوية) أو باستخدام نقل حراري مزوّد بتدفئة كهربائية متغيرة، ويظهر المحاكاة سرعة تذويب الجليد أو ما إذا كانت الحرارة كافية لإبقاء السطح جافلا.

تطبيقات السائل المفلط المزيل

وبالنسبة لبعض خطوط التوزيع، يتم رش السوائل المضادة للتكسير (مثل البروبلين غليكول) ويمكن للمحاكاة المتعددة المراحل التي تحتوي على نموذج لنقل الأنواع أن تتعقب سميك الفلم السوائل وتأثيره في انخفاض نقطة التجميد، ويمكن أن يُفضي النموذج إلى معدل التدفق وتوقيت التطبيق.

رصيف الجليد السلبي

ويمكن لعمليات المحاكاة أيضا أن تقيّم كيف تُقدّم أفران الجليد تحت دورة الرياح أو دورة الحرارة، وبنموذج قوة الوصل بينية الموصلات الجليدية (بشكل نموذجي عن طريق صندوق يو ديوكسينات يتوقّع أن يكون هناك فصل عندما يتجاوز ضغط الأنهار عتبة)، يمكن للمهندسين التنبؤ بموعد سقوط الجليد، والمساعدة على تخفيف المخاطر التي تقل عن الخط.

Case Study: High-Voltage Transmission Line in Mountainous Terrain

The 230 kV transmission line crossing a mountain pass prone to frozen fog. Using ANSYS Fluent, engineers modeled a 100 m span with a 40 mm diameter ACSR conductor. Key conditions: wind speed 15 m/IGs, ambient temperature -8°C, LWC 0.5 g/m3, dropn droplet 30 meter.

تقييم نماذج اتفاقية الأسلحة الكيميائية والحدود المفروضة عليها

وفي حين أن الديوكسينات الفلورية قوية، فإنه يجب التحقق منها من البيانات التجريبية أو القياسات الميدانية، وتشمل بعض القيود ما يلي:

Turbulence models:] The standard k-Y may mispredict separation points behind iced cylinders; scale-resolving models (LES, DES) are more accurate but computationally expensive.
Ice phase complexity:] Changes in density, porosity, andميكانيكي properties during accretion are not fully captured by simple solidification models.
] Compputational cost:] Iterative shape evolution over many time steps can be time-consuming; reduced-order models might be needed for real-time engineering applications.

وعلى الرغم من هذه التحديات، لا تزال قوة التلقيح التابعة للشبكة هي الأداة الأكثر عملية المتاحة لإجراء دراسات تفصيلية، وللاطلاع على لمحة شاملة عن معايير التحقق، انظر NREL turbine icing research، التي تتقاسم فيزياء مماثلة مع خط توليد الطاقة.

الاتجاهات المستقبلية: التعلم في مجال الآلات والتوائم الرقمية

أما الحدود التالية في نموذج خط الطاقة فهي إدماج نتائج البرمجيات المولدة للقوى العاملة في مجال الطاقة والتعلم الآلي من أجل استحداث نماذج سريعة بديلة، ومن خلال تدريب الشبكات العصبية على آلاف المحاكاة التي تقوم بها هذه البرمجيات والتي تتسع سرعة الرياح ودرجة الحرارة ومقياس السائل، ومقياس السلوك، يمكن للمرافق أن تولد توقعات للتسجيل في الوقت الحقيقي، وتغذي هذه المواد البديلة في نظم رقمية توأمة ترصد البيانات الجوية وتتوقع حمولات الجليدية عبر الشبكة العالمية بأكملها.

خاتمة

وتزود مؤسسة " إينيس " مهندسين بمنهاج مفصّل وقائم على الفيزياء لنموذج الجليد وتراكم الجليد على خطوط الطاقة، وذلك عن طريق الجمع بين تدفق متعدد المراحل، وتتبع الجسيمات، ونقل الحرارة، وتشويه الأعضاء، وعمليات المحاكاة، وتنتج أشكالاً ثلجية واقعية، وتحميلات جوية، وتاريخية متطورة، وتنطبق هذه المعلومات مباشرة على تصميم نماذج أقوى، وتخطيط عمليات الدمج، ومنع حدوث زيادات في الهياكل الأساسية.