Introducción a la acumulación de nieve y hielo en los conductores de sobrecarga

Las tormentas de invierno representan una amenaza significativa para las líneas de energía de sobrecarga. La acumulación de nieve y hielo aumenta el peso sustancial, aumenta las cargas aerodinámicas y puede llevar a la horca de conductor, las remoderas o incluso la falla estructural catastrófica. Entender los mecanismos físicos detrás de la acreción del hielo es esencial para diseñar redes de transmisión y distribución resistentes.

La Física de la Acreción de Hielo en las Líneas de Poder

La acumulación de hielo en conductores de sobrecabeza se produce a través de varios mecanismos distintos, dependiendo de las condiciones meteorológicas:

  • ] Icing en el interior: Las gotas de agua supercooladas en niebla o nubes se congelan en contacto con la superficie del conductor frío, formando hielo en el llanto o el esmalte.
  • Precipitación de hielo: La lluvia o nieve húmeda se adhiere a la línea y se congela, produciendo a menudo hielo denso y pesado.
  • El encaje atmosférico de niebla o goteo: similar al encaje en el cuello pero a nivel de tierra, a menudo conduce a tasas de acreción rápida.

La tasa y forma de crecimiento del hielo dependen de la velocidad del viento, la temperatura, la distribución del tamaño de gota, el contenido de agua líquida y la rugosidad y temperatura de la superficie del conductor. La acumulación de nieve sigue una dinámica diferente: la nieve seca normalmente se derrama fácilmente, mientras que la nieve húmeda puede pegarse y acumularse, especialmente cuando el modelado de CFD tiene que capturar estos matices, incluyendo la transición entre el crecimiento seco y el hielo.

¿Por qué utilizar ANSYS Fluent para simulaciones de Icing de Línea de Energía?

ANSYS Fluent proporciona un conjunto completo de herramientas para el flujo multifase, el seguimiento de partículas y la transferencia de calor que son críticos para simulaciones de hielo:

  • Eulerian-Lagrangian approach: La fase de aire continua se resuelve con las ecuaciones Navier-Stokes, mientras que las gotas de nieve discretas o de agua se rastrean como partículas lagrangianas.
  • Modelo multifase eulerian-eulerian: Para concentraciones altas de goteo, la mezcla o el modelo eulerio puede tratar ambas fases como continua interpenetrating.
  • ]Modelo de cambio de fase: Los modelos de solidificación/re fundición incorporados simulan el congelamiento de gotas supercooladas y el derretimiento de hielo.
  • Funciones definidas por el usuario (UDFs): El código personalizado puede implementar leyes de acreción empírica, correlaciones de densidad de hielo o perfiles de flujo de calor desactivados.

\]ANSYS Fluent es el estándar de la industria para estos análisis debido a su capacidad validada de física y de procesamiento posterior extensiva, permitiendo a los ingenieros visualizar formas de hielo, historias térmicas y cargas aerodinámicas. La escalabilidad del software permite simulaciones de conductores individuales, conductores envasados e incluso secciones completas de línea de transmisión.

Configuración de la geometría y la malla

Creación del modelo de conducta

Comience por construir un modelo 3D del segmento de la línea de potencia. En muchos casos, una sección 2D es suficiente para capturar perfiles de acreción de hielo porque la línea es larga y el flujo es predominantemente bidimensional alrededor de un cilindro. Sin embargo, para conductores envasados o efectos complejos del terreno, es necesario un dominio 3D completo.

  1. Cree el conductor como cilindro con el diámetro real (por ejemplo, 30 mm a 50 mm para líneas de sobrecabeza típicas).
  2. Define el dominio computacional que extiende varios diámetros de conductores de corriente arriba y abajo (al menos 10D) para evitar efectos de límites.
  3. Use un plano de simetría si el flujo es simétrico (por ejemplo, el viento horizontal perpendicular a la línea).
  4. Aplica una malla fina cerca de la superficie conductora con valores y+ apropiados para el modelo de turbulencia (y+ ♥ 1 para k-ω SST).

Condiciones de la frontera y propiedades materiales

Para simulaciones de encendido, la entrada también debe llevar gotas discretas o una fase secundaria. Las propiedades principales incluyen:

  • Air:] Gas ideal incompresible o densidad constante; viscosidad y conductividad térmica definida a temperatura ambiente (~-5°C a 0°C).
  • gotitas de agua: Densidad 1000 kg/m3, diámetro típicamente 10–50 μm (diámetro de volumen medio).
  • Hielo:] Densidad para hielo de llanto (200–600 kg/m3) o hielo de esmalte (900 kg/m3); conductividad térmica ~2.2 W/(m·K).

Multifase Flujo y Particle Tracking

Modelo de fase discreta (DPM) para nieve y gotas

DPM de ANSYS Fluent es ideal para flujos diluidos (Fcción de volumen) 10 %. Inyecte partículas de la entrada con una velocidad de flujo de masa especificada, velocidad igual al viento, y distribución de tamaño aleatorio después de una curva de Rosin-Rammler. El solucionador calcula trayectorias de partículas considerando la resistencia, gravedad y la dispersión turbulenta.

]Fórdola de congelación = (calor latente liberado) / (extracción de calor convectivo) – si la fracción es igual a 1, todas las congelaciones de agua (hielo de rima); si menos de 1, formas de película líquida (hielo de esmalte).

Para la nieve, la eficiencia de la adherencia depende de la humedad de la nieve y de la temperatura superficial. La nieve seca (temperatura < 0°C) typically does not stick, while wet snow (>0°C) puede adherirse y construirse. Un UDF puede incorporar correlaciones empíricas de la literatura, como las del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL).

Modelo multifase eulerio para la radio densa

Cuando la fracción del volumen de goteo supera el 1–2%, el DPM se vuelve computacionalmente costoso y menos preciso. En lugar de ello, utiliza el modelo multifase eurístico eurístico euricular, que resuelve un conjunto separado de ecuaciones de continuidad e impulso para las fases del aire y del agua. Este enfoque es mejor adaptado para las condiciones de alto contenido de agua líquida (LWC) típicas de lluvia congelada.

Modelo de transferencia de calor y cambio de fase

Modelo de solidificación/recuperación

ANSYS Fluent incluye un modelo de solidificación/moldeo basado en una formulación de estrapi-porosidad. Esto es esencial para simular el congelamiento de gotas después de la deposición. Habilitar el modelo en la configuración multifase o DPM, y definir el rango de temperatura del cambio de fase (por ejemplo, -0,5 °C a 0°C para el agua).

Conjugado de calor para calefacción por conductor

En realidad, la temperatura del conductor está influenciada por la corriente eléctrica (calor de la cabina) y las condiciones ambientales. Para capturar esto, crear una zona sólida dentro del conductor con generación de calor volumétrica (pérdidas I2R). Luego, permitir la transferencia de calor conjugada en la interfaz de fluido sólido. Este acoplamiento es vital porque incluso unos pocos grados de calefacción del conductor pueden prevenir el encaje o causar der, especialmente en líneas de alta corriente.

Modelando la forma de acreción de hielo y el crecimiento con el tiempo

El hielo no forma un cilindro uniforme; crece en formas complejas con cuernos, plumas y crestas que alteran profundamente el comportamiento aerodinámico. Para simular la evolución de la forma, ANSYS Fluent se puede combinar con técnicas de mortificación o re-meshing de malla.

  1. Ejecute la solución de flujo y el seguimiento de partículas durante un corto paso (por ejemplo, 1 minuto de tiempo real).
  2. Componga la masa de hielo depositada en cada cara de pared usando el flujo de partículas y la fracción de congelación.
  3. Actualizar la geometría moviendo los nodos de pared hacia fuera según el volumen de hielo y la densidad.
  4. Una malla suave usando capas dinámicas de malla o un método de licuado.
  5. Repita el proceso hasta que se alcance el tiempo total de acreción deseado (por ejemplo, 1 hora).

Este enfoque iterativo, a menudo implementado a través de scripts de revistas o UDF, produce formas de hielo realistas que pueden ser validadas contra experimentos de túneles de viento. La geometría resultante puede ser utilizada para el análisis de carga estructural o para simular galopado inducido por inestabilidades aerodinámicas.

Carga aerodinámica e instalación de Galloping

Una vez que el hielo se ha concretado, la sección transversal de la línea se vuelve asimétrica, lo que lleva a las fuerzas de elevación y arrastre que pueden causar oscilaciones de gran densidad conocidas como galopado. ANSYS Fluent puede calcular los coeficientes aerodinámicos (C L, C Dchan, C M) de un conductor helado como una función de ángulo de ataque.

  • Velocidad eólica crítica: La velocidad a la que el amortiguamiento aerodinámico se vuelve negativo.
  • Simetría de forma de hielo: Incluso pequeñas irregularidades alteran dramáticamente la pendiente del ascensor.
  • Frecuencia natural del lazo: Determinada por tensión, masa por unidad de longitud y longitud de la lazo.

Los ingenieros pueden utilizar estos resultados para instalar dispositivos anti-galloping como desenterrar péndulos o espaciadores interfase, o para aumentar la tensión en el conductor.

Estrategias de des-irrendamiento y anti-irreza: validación con CFD

Las simulaciones de CFD no son sólo para predecir la acumulación sino también para probar estrategias de mitigación:

Calefacción del conductor (Efecto del curso)

Un método común para prevenir el hielo es aumentar deliberadamente la carga actual en la línea, elevando la temperatura del conductor por encima de la congelación. ANSYS Fluent puede modelar esto estableciendo una temperatura constante de la pared (por ejemplo, 5°C) o utilizando la transferencia de calor conjugada con calefacción eléctrica variable. La simulación muestra cuán rápido se derrite el hielo o si el calor es suficiente para mantener la superficie seca.

Aplicación de fluidos de desvío

Para algunas líneas de distribución, se rocian líquidos anti-icación (como el propileno glilcol). Una simulación multifase con un modelo de transporte de especies puede rastrear el espesor de la película de fluidos y su efecto de depresión punto de congelación. El modelo puede optimizar el caudal y el tiempo de aplicación.

Codificación de hielo pasiva

Las simulaciones también pueden evaluar cómo se desprendan los cobertizos de hielo bajo ciclos de viento o térmicos. Al modelar la fuerza de la interfaz de hielo-conductor (normalmente a través de un UDF que predice el desprendimiento cuando el estrés de la llaga supera un umbral), los ingenieros pueden predecir cuándo y dónde caerá el hielo, ayudando a mitigar los riesgos por debajo de la línea.

Estudio de caso: Línea de Transmisión de Alto Voltaje en Terrain Montaña

El procedimiento de transmisión de 230 kV se ha desarrollado en un radio de 40 mm. El sistema de control de la velocidad de los vientos es de 15 m/s, la temperatura ambiente -8°C, LWC 0,5 g/m3, el diámetro medio de la gota 30 μm. Después de simular 2 horas de accesión, la masa de hielo se predijo a 3,2 kg/m

Validación y limitaciones de los modelos CFD

Aunque CFD es potente, debe ser validado contra datos experimentales o mediciones de campo. Algunas limitaciones incluyen:

  • Modelos de turbulencia: El k-ε estándar puede malpredecir puntos de separación detrás de los cilindros helados; modelos de resolución de escala (LES, DES) son más exactos pero costosos computacionalmente.
  • Complejidad de la fase del hielo: Los cambios en densidad, porosidad y propiedades mecánicas durante la acreción no son plenamente capturados por modelos de solidificación simples.
  • ] Costo computacional: La evolución de la forma iterativa durante muchos pasos de tiempo puede ser prolongada; modelos de orden reducido podrían ser necesarios para aplicaciones de ingeniería en tiempo real.

A pesar de estos desafíos, ANSYS Fluent sigue siendo la herramienta más práctica disponible para estudios detallados de icing. Para una visión general de los parámetros de validación, vea la NREL investigación de icing de turbina en el viento, que comparte física similar con el icing de línea de energía.

Futuros: Aprendizaje de Máquinas y Gemelos Digitales

La próxima frontera en el modelado de icing de línea de energía es la integración de los resultados de CFD con el aprendizaje automático para crear modelos de surrogado rápido. Mediante la formación de redes neuronales en miles de simulaciones de CFD que abarcan velocidad de viento, temperatura, LWC y diámetro de conductor, las utilidades pueden generar pronósticos de icing en tiempo real.

Conclusión

ANSYS Fluent proporciona a los ingenieros una plataforma detallada basada en la física para modelar la nieve y la acumulación de hielo en las líneas de energía. Combinando flujo multifase, seguimiento de partículas, transferencia de calor y deformación de malla, las simulaciones producen formas de hielo realistas, cargas aerodinámicas y historias térmicas más sólidas. Esta información es directamente aplicable a diseñar conductores más fuertes, planeando operaciones de de de de de des, y evitando menos capacidades de refrigeración de refrigeración de energía.