Einführung in die Schnee- und Eisansammlung auf Overhead-Leitern

Winterstürme stellen eine erhebliche Bedrohung für Freileitungen dar. Die Anhäufung von Schnee und Eis erhöht das Gewicht, erhöht die aerodynamische Belastung und kann zu Galoppieren der Leiter, Überschlägen oder sogar katastrophalen strukturellen Misserfolgen führen. Das Verständnis der physikalischen Mechanismen der Eisakkretion ist für die Entwicklung elastischer Übertragungs- und Verteilungsnetze unerlässlich. Computational Fluid Dynamics (CFD) mit ANSYS Fluent bietet eine robuste Plattform, um die komplexen Mehrphasenströmungen, Partikelablagerungen und Phasenwechselphänomene, die die Eisbildung steuern, zu simulieren. Dieser Artikel bietet eine maßgebliche, schrittweise Anleitung zur Modellierung von Schnee- und Eisansammlungen auf Stromleitungen mit ANSYS Fluent, die alles abdeckt, von der Geometrieeinstellung bis hin zur Interpretation der Ergebnisse und praktischen Infrastrukturverbesserungen.

Die Physik der Eisakkretion auf Stromleitungen

Eisansammlung auf Freileitungen erfolgt durch mehrere verschiedene Mechanismen, abhängig von meteorologischen Bedingungen:

  • In-Cloud-Eisung: Unterkühlte Wassertröpfchen im Nebel oder Wolken gefrieren bei Kontakt mit der kalten Leiteroberfläche und bilden Rime oder Glasureis.
  • Fällungsvereisung: Einfrieren von Regen oder nassem Schnee hält sich an die Linie und friert ein, was oft dichtes, schweres Glasureis erzeugt.
  • Atmosphärische Vereisung durch Nebel oder Nieselregen: Ähnlich wie bei der Vereisung in der Wolke, aber auf Bodenhöhe, was oft zu schnellen Akkretionsraten führt.

Geschwindigkeit und Form des Eiswachstums hängen von Windgeschwindigkeit, Temperatur, Tröpfchengrößenverteilung, flüssigem Wassergehalt sowie Oberflächenrauhigkeit und Temperatur des Leiters ab. Die Schneeansammlung folgt einer anderen Dynamik: Trockenschnee fällt normalerweise leicht ab, während sich nasser Schnee ansammeln kann, insbesondere wenn er vom Wind angetrieben wird. Genaue CFD-Modellierung muss diese Nuancen erfassen, einschließlich des Übergangs zwischen Rim (trockenes Wachstum) und Glasur (feuchtes Wachstum) Eis.

Warum ANSYS fließend für Power Line Icing Simulationen verwenden?

ANSYS Fluent bietet eine umfassende Reihe von Werkzeugen für die Mehrphasenströmung, Partikelverfolgung und Wärmeübertragung, die für die Simulation von Vereisungssimulationen von entscheidender Bedeutung sind:

  • Eulerisch-Lagrangian Ansatz: Die kontinuierliche Luftphase wird mit den Navier-Stokes-Gleichungen gelöst, während diskrete Schnee- oder Wassertröpfchen als Lagrangian Partikel verfolgt werden.
  • Eulerisch-eulerisches Mehrphasenmodell: Für hohe Tröpfchenkonzentrationen kann das Gemisch oder Eulersches Modell beide Phasen als interpenetrierende Kontinua behandeln.
  • Phasenwechselmodellierung: Eingebaute Erstarrungs-/Schmelzmodelle simulieren das Einfrieren von unterkühlten Tröpfchen und das Schmelzen von Eis.
  • Benutzerdefinierte Funktionen (UDFs): Benutzerdefinierte Codes können empirische Akkretionsgesetze, Eisdichtekorrelationen oder Enteisungswärmeflussprofile implementieren.

\ANSYS Fluent ist der Industriestandard für solche Analysen wegen seiner validierten Physik und umfangreichen Nachverarbeitungsmöglichkeiten, die es Ingenieuren ermöglichen, Eisformen, thermische Geschichten und aerodynamische Belastungen zu visualisieren. Die Skalierbarkeit der Software ermöglicht Simulationen von Einzelleitern, gebündelten Leitern und sogar ganzen Übertragungsleitungsabschnitten.

Einrichten der Geometrie und Mesh

Erstellen des Dirigentenmodells

Beginnen Sie mit der Erstellung eines 3D-Modells des Stromleitungssegments. In vielen Fällen reicht ein 2D-Querschnitt aus, um Eisakkretionsprofile zu erfassen, da die Leitung lang ist und der Fluss überwiegend zweidimensional um einen Zylinder herum verläuft. Für gebündelte Leiter oder komplexe Geländeeffekte ist jedoch eine vollständige 3D-Domäne erforderlich. Typische Schritte:

  1. Den Leiter als Zylinder mit dem tatsächlichen Durchmesser (z. B. 30 mm bis 50 mm für typische Freileitungen) erstellen.
  2. Definieren Sie den Rechenbereich, der mehrere Leiterdurchmesser vor- und nachgelagert (mindestens 10D) ausdehnt, um Randeffekte zu vermeiden.
  3. Eine Symmetrieebene verwenden, wenn die Strömung symmetrisch ist (z. B. horizontaler Wind senkrecht zur Linie).
  4. Ein feines Gitter in der Nähe der Leiteroberfläche mit y+-Werten, die für das Turbulenzmodell geeignet sind (y+ ≈ 1 für k-ω SST).

Grenzbedingungen und Materialeigenschaften

Grenzen für den Einlass und den Druckauslass zuweisen; für die Simulation von Vereisungen muss der Einlass auch diskrete Tröpfchen oder eine Sekundärphase tragen; zu den wichtigsten Materialeigenschaften gehören:

  • Luft: Inkompressibles ideales Gas oder konstante Dichte; Viskosität und Wärmeleitfähigkeit bei Umgebungstemperatur (~ -5°C bis 0°C) definiert.
  • Wassertröpfchen: Dichte 1000 kg/m3, Durchmesser typischerweise 10–50 μm (mittlerer Volumendurchmesser).
  • Eis: Dichte für Rimeis (200–600 kg/m3) oder Glasureis (900 kg/m3); Wärmeleitfähigkeit ~2,2 W/(m·K).

Mehrphasenfluss und Partikelverfolgung

Diskretes Phasenmodell (DPM) für Schnee und Tröpfchen

Das DPM von ANSYS Fluent ist ideal für verdünnte Strömungen (Volumenanteil < 10%), wobei Partikel mit einem vorgegebenen Massendurchsatz, einer Geschwindigkeit, die dem Wind entspricht, und einer zufälligen Größenverteilung nach einer Rosin-Rammler-Kurve aus dem Einlass injiziert werden. Der Solver berechnet die Partikelbahnen unter Berücksichtigung von Widerstand, Schwerkraft und turbulenter Dispersion. Wenn ein Partikel auf die Leiteroberfläche trifft, bestimmt ein UDF- oder eingebautes Haftmodell, ob es haftet. Für unterkühlte Tröpfchen wird die Gefrierfraktion durch die Wärmebilanzgleichung vorhergesagt:

Einfrieren Fraktion = (latente Wärme freigesetzt) / (konvektive Wärme entfernt) - wenn die Fraktion gleich 1, gefriert alle Wasser (Reiseis); wenn weniger als 1, flüssiger Film bildet (Glazeeis).

Bei Schnee hängt die Klebeeffizienz von der Nässe des Schnees und der Oberflächentemperatur ab. Trockenschnee (Temperatur < 0°C) typically does not stick, while wet snow (>0°C) kann haften bleiben und sich aufbauen. Eine UDF kann empirische Korrelationen aus der Literatur enthalten, wie die des National Renewable Energy Laboratory (NREL).

Eulersches Mehrphasenmodell für dichtes Spray

Wenn der Anteil des Tröpfchenvolumens mehr als 1-2 % beträgt, wird das DPM rechnerisch teuer und weniger genau. Stattdessen verwenden Sie das Eulersche Mehrphasenmodell, das einen separaten Satz von Kontinuitäts- und Impulsgleichungen für die Luft- und Wasserphasen löst. Dieser Ansatz eignet sich besser für hohe Flüssigwassergehalte (LWC) typisch für eisigen Regen. Das Eisakkretionsmodell kann immer noch über eine UDF angewendet werden, die die Eismasse aus dem Wasserphasenfluss berechnet, der auf die Wand trifft.

Wärmeübertragung und Phasenwechselmodellierung

Verfestigungs-/Schmelzmodell

ANSYS Fluent umfasst ein Erstarrungs-/Schmelzmodell auf der Grundlage einer Enthalpieporositätsformulierung. Dies ist für die Simulation des Einfrierens von Tröpfchen nach der Abscheidung von wesentlicher Bedeutung. Das Modell ist in der Mehrphasen- oder DPM-Einrichtung aktivierbar und definiert den Phasenwechseltemperaturbereich (z. B. -0,5 °C bis 0°C für Wasser). Das Modell verfolgt den flüssigen Anteil in jeder Zelle; ein flüssiger Anteil von 1 bedeutet flüssiges Wasser, 0 bedeutet Eis. Bei Stromleitungen kann der Leiter als Wand mit einer bestimmten Temperatur (oft in der Nähe von Umgebung) oder mit einem Wärmeerzeugungsterm modelliert werden, um eine ohmsche Erwärmung durch den Strom darzustellen.

Konjugierte Wärmeübertragung für die Leiterheizung

In Wirklichkeit wird die Leitertemperatur durch den elektrischen Strom (Joule-Heizung) und die Umgebungsbedingungen beeinflusst. Um dies zu erfassen, erzeugen Sie eine feste Zone im Inneren des Leiters mit volumetrischen Wärmeerzeugungen (I2R-Verluste). Dann ermöglichen Sie die konjugierte Wärmeübertragung an der Grenzfläche zwischen Fluid und Feststoff. Diese Kopplung ist wichtig, da bereits einige Grad der Leiterheizung Vereisung verhindern oder Schmelzen verursachen können, insbesondere in Hochstromleitungen. Die Simulation zeigt, ob der Leiter über 0°C bleibt, was die Akkretion verzögert oder verhindert.

Modellierung von Eisakkretion Form und Wachstum im Laufe der Zeit

Eis bildet keinen einheitlichen Zylinder, sondern wächst in komplexe Formen mit Hörnern, Federn und Kämmen, die das aerodynamische Verhalten grundlegend verändern. Um die Formentwicklung zu simulieren, kann ANSYS Fluent mit Maschenmorphing- oder Neuverzahnungstechniken kombiniert werden. Der Workflow:

  1. Führen Sie die Fließlösung und die Partikelverfolgung für einen kurzen Zeitschritt (z. B. 1 Minute Echtzeit) aus.
  2. Berechnen Sie die auf jeder Wandfläche abgelagerte Eismasse unter Verwendung des Partikelflusses und der Gefrierfraktion.
  3. Aktualisieren Sie die Geometrie, indem Sie Wandknoten nach außen bewegen, je nach Eisvolumen und Dichte.
  4. Ein glattes Gitter mit dynamischer Maschenschichtung oder einem Glättungsverfahren.
  5. Wiederholen Sie den Vorgang, bis die gewünschte Gesamtanreicherungszeit (z. B. 1 Stunde) erreicht ist.

Dieser iterative Ansatz, der oft über Journaling-Skripte oder UDFs umgesetzt wird, erzeugt realistische Eisformen, die gegen Windkanalexperimente validiert werden können. Die resultierende Geometrie kann dann für die Analyse der strukturellen Belastung oder für die Simulation von Galopping induziert durch aerodynamische Instabilitäten verwendet werden.

Aerodynamische Belastungen und galoppierende Instabilität

Sobald Eis asymmetrisch ist, führt dies zu zeitvariablen Auftriebs- und Widerstandskräften, die zu Schwingungen großer Amplituden führen können, die als Galoppieren bekannt sind. ANSYS Fluent kann die aerodynamischen Koeffizienten (C L, C D, C M) eines Eisleiters in Abhängigkeit vom Anstellwinkel berechnen. Diese Koeffizienten werden dann in einem separaten dynamischen Solver (z. B. ANSYS Mechanical oder ein benutzerdefiniertes MATLAB-Skript) verwendet, um den Beginn und die Schwere des Galoppierens vorherzusagen.

  • Kritische Windgeschwindigkeit: Die Geschwindigkeit, mit der die aerodynamische Dämpfung negativ wird.
  • Eisformsymmetrie: Selbst leichte Unregelmäßigkeiten verändern die Steigung dramatisch.
  • Natural frequency of the span: Determined by tension, mass per unit length, and span length.

Ingenieure können diese Ergebnisse verwenden, um Anti-Galloping-Geräte wie Verstimmungspendel oder Interphasen-Spacer zu installieren oder die Spannung im Leiter zu erhöhen.

De-Icing und Anti-Icing Strategien: Validierung mit CFD

CFD-Simulationen dienen nicht nur der Vorhersage von Akkumulation, sondern auch zum Testen von Minderungsstrategien:

Leiterheizung (Joule-Effekt)

Eine gängige Methode zur Vermeidung von Vereisungen ist die bewusste Erhöhung der Strombelastung in der Leitung, wodurch die Leitertemperatur über das Gefrierniveau hinaus erhöht wird. ANSYS Fluent kann dies durch die Einstellung einer konstanten Wandtemperatur (z. B. 5°C) oder durch die Verwendung von konjugierter Wärmeübertragung mit variabler elektrischer Heizung modellieren. Die Simulation zeigt, wie schnell das Eis schmilzt oder ob die Wärme ausreicht, um die Oberfläche trocken zu halten.

Entzündungsflüssigkeitsanwendung

Bei einigen Verteilungslinien werden Anti-Eisungsflüssigkeiten (wie Propylenglykol) gesprüht. Eine Mehrphasensimulation mit einem Speziestransportmodell kann die Dicke des Flüssigkeitsfilms und seinen Gefrierpunkt-Depressionseffekt verfolgen. Das Modell kann die Durchflussrate und den Applikationszeitpunkt optimieren.

Passive Eisablagerung

Simulationen können auch beurteilen, wie Eis unter Wind oder Wärmezyklen abfällt. Durch die Modellierung der Haftfestigkeit der Eisleitergrenzfläche (normalerweise über eine UDF, die eine Ablösung vorhersagt, wenn die Scherbeanspruchung einen Schwellenwert überschreitet) können Ingenieure vorhersagen, wann und wo Eis fallen wird, was dazu beiträgt, Risiken unterhalb der Linie zu mindern.

Fallstudie: Hochspannungsleitung im Gebirge

Betrachten wir eine 230 kV Übertragungsleitung, die einen Gebirgspass durchquert, der anfällig für eisigen Nebel ist. Mit ANSYS Fluent modellierten Ingenieure eine Spannweite von 100 m mit einem ACSR-Leiter von 40 mm Durchmesser. Schlüsselbedingungen: Windgeschwindigkeit 15 m/s, Umgebungstemperatur -8 °C, LWC 0,5 g/m3, mittlerer Tropfendurchmesser 30 μm. Nach Simulation von 2 Stunden Akkretionsgeschwindigkeit wurde die Eismasse mit 3,2 kg/m vorhergesagt - eine Zunahme des bloßen Leitergewichts um 150%. Die Eisform war asymmetrisch, wobei sich Hörner auf der stromaufwärts gelegenen Seite bildeten. Aerodynamische Koeffizienten zeigten eine negative Auftriebsneigung zwischen -5° und +10° Angriffswinkel, was auf ein hohes Risiko des Galoppierens hinweist. Der Leitungsbetreiber verwendete diese Daten, um Interphasen-Spacer zu installieren und ein stromverstärkendes Enteisungsverfahren bei Stürmen zu planen. CIGRE Richtlinien zu Vereisungslasten empfehlen ähnliche CFD-basierte Bewertungen

Validierung und Einschränkungen von CFD-Modellen

CFD ist zwar leistungsfähig, muss aber gegen experimentelle Daten oder Feldmessungen validiert werden.

  • Turbulenzmodelle: Der Standard k-ε kann Trennpunkte hinter Eiszylindern falsch vorhersagen; skalenauflösende Modelle (LES, DES) sind genauer, aber rechentechnisch teuer.
  • Eisphasenkomplexität: Veränderungen in Dichte, Porosität und mechanischen Eigenschaften während der Akkretion werden durch einfache Erstarrungsmodelle nicht vollständig erfasst.
  • Kosten für die Berechnung: Iterative Formentwicklung über viele Zeitschritte kann zeitaufwendig sein; Modelle mit reduzierter Ordnung können für Echtzeit-Engineering-Anwendungen benötigt werden.

Trotz dieser Herausforderungen bleibt ANSYS Fluent das praktischste Werkzeug, das für detaillierte Vereisungsstudien zur Verfügung steht.Für einen umfassenden Überblick über Validierungsbenchmarks siehe die ]NREL-Windkraftanlagenvereisungsforschung , die ähnliche Physik mit der Vereisung von Stromleitungen teilt.

Future Directions: Machine Learning und Digital Twins

Die nächste Grenze in der Modellierung von Vereisungsleitungen ist die Integration von CFD-Ergebnissen mit maschinellem Lernen, um schnelle Ersatzmodelle zu erstellen. Durch das Training neuronaler Netze in Tausenden von CFD-Simulationen, die Windgeschwindigkeit, Temperatur, LWC und Leiterdurchmesser umfassen, können Versorgungsunternehmen Vereisungsprognosen in Echtzeit erzeugen. Diese Ersatzsysteme fließen in digitale Zwillingssysteme ein, die Wetterdaten überwachen und Eislasten über das gesamte Netz vorhersagen, was eine proaktive Wartung ermöglicht. Die Fähigkeit von ANSYS Fluent, parametrische Studien über Journaling zu automatisieren, macht es zu einem idealen Motor für die Generierung des Trainingsdatensatzes.

Schlussfolgerung

ANSYS Fluent bietet Ingenieuren eine detaillierte, physikbasierte Plattform zur Modellierung von Schnee- und Eisansammlungen an Stromleitungen. Durch die Kombination von Mehrphasenströmung, Partikelverfolgung, Wärmeübertragung und Maschenverformung ergeben Simulationen realistische Eisformen, aerodynamische Belastungen und thermische Geschichten. Diese Informationen sind direkt anwendbar für die Gestaltung stärkerer Leiter, die Planung von Enteisungsvorgängen und die Verhinderung von Galoppierungsausfällen. Mit zunehmender Rechenleistung und der Reife von Ersatzmodellen wird CFD ein noch integralerer Bestandteil der Widerstandsfähigkeit der elektrischen Infrastruktur im Winter. Für jedes Versorgungsunternehmen, das in kalten Klimazonen tätig ist, führt die Investition in diese Simulationsfunktionen direkt zu weniger Ausfällen, geringeren Reparaturkosten und sicherer, zuverlässigerer Energieversorgung.