Introduction à l'accumulation de neige et de glace sur les conducteurs aériens

L'accumulation de neige et de glace ajoute un poids important, augmente les charges aérodynamiques et peut entraîner des galops de conducteurs, des flashovers, voire une défaillance structurelle catastrophique. La compréhension des mécanismes physiques derrière l'accrétion de glace est essentielle pour concevoir des réseaux de transmission et de distribution résilients. La dynamique des fluides computationnels (CFD) à l'aide d'ANSYS Fluent offre une plateforme robuste pour simuler les phénomènes complexes de débit multiphasés, de dépôt de particules et de changement de phase qui régissent l'accumulation de glace.

La physique de l'accélération de glace sur les lignes électriques

L'accumulation de glace sur les conducteurs aériens se fait par plusieurs mécanismes distincts, selon les conditions météorologiques :

  • Givrage en nuage:[ Des gouttelettes d'eau surfroides dans le brouillard ou des nuages gèlent au contact de la surface du conducteur froid, formant des jantes ou de la glace glaçure.
  • Le givrage de précipitation:[ La pluie verglaçante ou la neige humide adhère à la ligne et se gèle, produisant souvent une glace dense et épaisse.
  • Givrage atmosphérique du brouillard ou de la bruine: Similaire au givrage dans le nuage mais au niveau du sol, ce qui entraîne souvent des taux d'accrétion rapides.

La vitesse et la forme de la croissance de la glace dépendent de la vitesse du vent, de la température, de la distribution des gouttelettes, de la teneur en eau liquide et de la rugosité et de la température de surface du conducteur. L'accumulation de neige suit une dynamique différente : la neige sèche s'éteint généralement facilement, tandis que la neige humide peut s'y coller et s'accumuler, surtout lorsque le vent est à l'origine.

Pourquoi utiliser Ansys Fluent pour les simulations de rainure de ligne électrique?

Ansys Fluent fournit un ensemble complet d'outils pour le débit multiphase, le suivi des particules et le transfert de chaleur qui sont essentiels pour les simulations de givrage:

  • Approche eulérienne-lagrangienne: La phase d'air continu est résolue avec les équations Navier-Stokes, tandis que les gouttelettes discrètes de neige ou d'eau sont suivies comme particules lagrangiennes.
  • Modèle multiphases eulérien-eulérien: Pour les fortes concentrations de gouttelettes, le mélange ou le modèle eulérien peut traiter les deux phases comme une continua interpénétratrice.
  • Modèle de changement de phase:[ Les modèles de solidification/fondation intégrés simulent la congélation des gouttelettes surfroides et la fonte de la glace.
  • Fonctions définies par l'utilisateur (UDF):[ Le code personnalisé peut mettre en œuvre des lois empiriques d'accrétion, des corrélations de densité de glace ou des profils de flux de chaleur de dégivrage.

\ANSYS Fluent est la norme industrielle pour de telles analyses en raison de sa physique validée et de ses capacités de post-traitement étendues, permettant aux ingénieurs de visualiser les formes de glace, les antécédents thermiques et les charges aérodynamiques.

Mise en place de la géométrie et du mesh

Création du modèle de conducteur

Commencez par construire un modèle 3D du segment de la ligne de puissance. Dans de nombreux cas, une section transversale 2D suffit pour capturer les profils d'accrétion de glace parce que la ligne est longue et que le débit est principalement bidimensionnel autour d'un cylindre. Cependant, pour les conducteurs groupés ou les effets de terrain complexes, un domaine 3D complet est nécessaire.

  1. Créer le conducteur comme un cylindre avec le diamètre réel (par exemple, 30 mm à 50 mm pour les lignes aériennes typiques).
  2. Définir le domaine de calcul qui étend plusieurs diamètres de conducteur en amont et en aval (au moins 10D) pour éviter les effets de bordure.
  3. Utiliser un plan de symétrie si le débit est symétrique (par exemple, vent horizontal perpendiculaire à la ligne).
  4. Appliquer un maillage fin près de la surface du conducteur avec des valeurs y+ appropriées pour le modèle de turbulence (y+ --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Conditions de frontière et propriétés du matériau

Pour les simulations de givrage, l'entrée doit également porter des gouttelettes discrètes ou une phase secondaire. Les principales propriétés du matériau sont les suivantes :

  • Air: Gaz ou densité constante idéale incompressible; viscosité et conductivité thermique définies à la température ambiante (~-5°C à 0°C).
  • Douchelettes d'eau:[ Densité 1000 kg/m3, diamètre généralement de 10 à 50 μm (diamètre médian du volume).
  • Ice: Densité pour la glace de jante (200-600 kg/m3) ou la glace glacée (900 kg/m3); conductivité thermique ~2,2 W/(m·K).

Suivi multiphasé du débit et des particules

Modèle de phase discrète (DPM) pour neige et gouttelettes

Le DPM de l'ANSYS Fluent est idéal pour les débits dilués (fraction de volume < 10%). Injecter des particules de l'entrée avec un débit massique spécifié, une vitesse égale au vent et une distribution aléatoire de taille après une courbe Rosin-Rammmler. Le solveur calcule les trajectoires des particules en tenant compte de la traînée, de la gravité et de la dispersion turbulente.

Fréquence de congélation = (chaleur latente libérée) / (chaleur convectif enlevée) – si la fraction est égale à 1, toutes les eaux gèlent (glace derime); si moins de 1, la pellicule liquide se forme (glace de glaçage)[

Pour la neige, l'efficacité de collage dépend de l'humidité de la neige et de la température de surface. La neige sèche (température < 0°C) typically does not stick, while wet snow (>0°C) peut adhérer et s'accumuler. Un FDU peut intégrer des corrélations empiriques de la littérature, comme celles du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL).

Modèle multiphase eulérien pour pulvérisation dense

Lorsque la fraction de volume de gouttelettes dépasse 1 à 2 %, le DPM devient calculablement coûteux et moins précis. Utilisez plutôt le modèle multiphases eulérien, qui résout un ensemble distinct d'équations de continuité et de moment pour les phases de l'air et de l'eau. Cette approche est mieux adaptée aux conditions de haute teneur en eau liquide (LWC) typiques de la pluie verglaçante. Le modèle d'accrétion de glace peut encore être appliqué via un UDF qui calcule la masse de glace à partir du flux de phase d'eau qui frappe la paroi.

Modélisation du transfert de chaleur et du changement de phase

Modèle de solidification/de fusion

Le modèle est conçu pour simuler la congélation des gouttelettes après le dépôt. Activer le modèle dans la configuration multiphase ou DPM et définir la plage de température de changement de phase (p. ex. -0,5°C à 0°C pour l'eau). Le modèle suit la fraction liquide dans chaque cellule; une fraction liquide de 1 signifie eau liquide, 0 signifie glace. Pour les lignes électriques, le conducteur peut être modélisé comme une paroi à une température spécifiée (souvent proche de l'environnement) ou avec un terme de génération de chaleur pour représenter le chauffage ohmique à partir du courant.

Transfert de chaleur conjugué pour le chauffage du conducteur

En réalité, la température du conducteur est influencée par le courant électrique (chauffage de la joule) et les conditions ambiantes. Pour saisir cela, créer une zone solide à l'intérieur du conducteur avec production de chaleur volumétrique (pertes I2R). Puis, permettre le transfert de chaleur conjugué à l'interface fluide-solide. Ce couplage est vital parce que même quelques degrés de chauffage du conducteur peuvent empêcher le givrage ou causer la fusion, en particulier dans les lignes à fort courant.

Modélisation de la forme et de la croissance de l'accumulation de glace au fil du temps

La glace ne forme pas un cylindre uniforme; elle se développe en formes complexes avec des cornes, plumes et crêtes qui modifient profondément le comportement aérodynamique. Pour simuler l'évolution de la forme, ANSYS Fluent peut être combiné avec des techniques de morphage ou de re-mémorquage de mesh.

  1. Exécutez la solution de débit et le suivi des particules pendant une courte étape (p. ex. 1 minute de temps réel).
  2. Calculer la masse de glace déposée sur chaque face de paroi en utilisant le flux de particules et la fraction de congélation.
  3. Mettre à jour la géométrie en déplaçant les nœuds muraux vers l'extérieur en fonction du volume et de la densité de la glace.
  4. Un filet lisse utilisant une couche dynamique de maille ou une méthode de lissage.
  5. Répéter le processus jusqu'à ce que le temps d'accrétion total souhaité (p. ex. 1 heure) soit atteint.

Cette approche itérative, souvent mise en œuvre par des scripts de journal ou des UDF, produit des formes de glace réalistes qui peuvent être validées contre des expériences de soufflerie. La géométrie résultante peut ensuite être utilisée pour l'analyse de la charge structurale ou pour simuler le galopage induit par des instabilités aérodynamiques.

Charges aérodynamiques et instabilité galopante

Une fois la glace accrété, la section transversale de la ligne devient asymétrique, ce qui entraîne des forces de levage et de traînée variables dans le temps qui peuvent causer des oscillations de grande amplitude appelées galoping. ANSYS Fluent peut calculer les coefficients aérodynamiques (C L, C D, C M) d'un conducteur glacé en fonction de l'angle d'attaque. Ces coefficients sont ensuite utilisés dans un résolveur dynamique structural distinct (par exemple, ANSYS Mechanical ou un script MATLAB personnalisé) pour prédire l'apparition et la gravité du galoping.

  • Vitesse du vent critique: La vitesse à laquelle l'amortissement aérodynamique devient négatif.
  • Symétrie de forme de glace:[ Même de légères irrégularités modifient considérablement la pente de levage.
  • Fréquence naturelle de la portée:[ Déterminée par tension, masse par unité de longueur et longueur de la portée.

Les ingénieurs peuvent utiliser ces résultats pour installer des dispositifs anti-galloping comme des pendules de réglage ou des entrepistes, ou pour augmenter la tension dans le conducteur.

Stratégies de désencrage et de lutte contre le cancer : Validation avec le DFC

Les simulations de CFD ne sont pas seulement destinées à prédire l'accumulation, mais aussi à tester des stratégies d'atténuation :

Chauffage du conducteur (effet de la joule)

Une méthode commune pour prévenir le givrage consiste à augmenter délibérément la charge de courant dans la ligne, en augmentant la température du conducteur au-dessus de la congélation. INSYS Fluent peut modéliser cela en réglant une température de paroi constante (p. ex. 5°C) ou en utilisant un transfert de chaleur conjugué avec un chauffage électrique variable. La simulation montre à quelle vitesse la glace fond ou si la chaleur est suffisante pour maintenir la surface sèche.

Application de liquide de désencrage

Pour certaines lignes de distribution, on pulvérise des fluides antigivrage (comme le propylène glycol). Une simulation multiphase avec un modèle de transport d'espèces peut suivre l'épaisseur du film fluide et son effet de dépression du point de congélation.

Évacuation passive de glace

En modélisant la résistance d'adhérence de l'interface glace-conducteur (généralement par l'intermédiaire d'un UDF qui prédit le détachement lorsque la contrainte de cisaillement dépasse un seuil), les ingénieurs peuvent prédire quand et où la glace tombera, contribuant ainsi à atténuer les risques sous la ligne.

Étude de cas : Ligne de transmission à haute tension sur le terrain montagneux

En utilisant l'ANSYS Fluent, les ingénieurs ont modélisé une portée de 100 m avec un conducteur ACSR de 40 mm. Conditions clés : vitesse du vent 15 m/s, température ambiante -8°C, LWC 0,5 g/m3, diamètre de gouttelettes médiane 30 μm. Après avoir simulé 2 heures d'accrétion, la masse de glace a été prédite à 3,2 kg/m – une augmentation de 150 % par rapport au poids du conducteur nu. La forme de la glace était asymétrique, les cornes se formant du côté amont. Les coefficients aérodynamiques ont révélé une pente de levage négative comprise entre -5° et +10° d'attaque, ce qui indique un risque élevé de galopage. L'opérateur de la ligne a utilisé ces données pour installer des entrepaires interphases et pour planifier une procédure de dégivrage en cours pendant les tempêtes.

CIGRE lignes directrices sur les charges givrées recommandent des évaluations similaires basées sur CFD pour les lignes critiques.

Validation et limites des modèles CFD

Bien que le CFD soit puissant, il doit être validé par rapport aux données expérimentales ou aux mesures sur le terrain.

  • Modèles de turbulence:[ La norme k-ε peut fausser les points de séparation derrière les cylindres glacés; les modèles de résolution d'échelle (LES, DES) sont plus précis mais coûtent cher sur le plan calculateur.
  • La complexité de la phase de l'Ice : Les changements de densité, de porosité et de propriétés mécaniques pendant l'accrétion ne sont pas entièrement saisis par les modèles de solidification simples.
  • Coûts d'exploitation:[ L'évolution de la forme itérative sur de nombreuses étapes peut prendre du temps; des modèles à ordre réduit pourraient être nécessaires pour des applications d'ingénierie en temps réel.

Malgré ces défis, le Fluent ANSYS reste l'outil le plus pratique disponible pour des études détaillées sur le givrage.Pour un aperçu complet des repères de validation, voir la recherche NREL sur le givrage des éoliennes, qui partage la physique similaire avec le givrage de la ligne de puissance.

Orientations futures : apprentissage automatique et jumelles numériques

La prochaine frontière de la modélisation du givrage de la ligne de puissance est l'intégration des résultats du CFD avec l'apprentissage automatique pour créer des modèles de substitution rapides. En formant des réseaux neuronaux sur des milliers de simulations CFD couvrant la vitesse du vent, la température, le LWC et le diamètre du conducteur, les services publics peuvent générer des prévisions de givrage en temps réel.

Conclusion

En combinant le débit multiphase, le suivi des particules, le transfert de chaleur et la déformation des mailles, les simulations donnent des formes de glace réalistes, des charges aérodynamiques et des antécédents thermiques. Ces informations sont directement applicables à la conception de conducteurs plus forts, à la planification des opérations de dégivrage et à la prévention des défaillances galopantes. À mesure que les modèles de calcul augmentent et de remplacement mûrissent, CFD deviendra une partie encore plus intégrante de la résilience des infrastructures électriques par temps hivernal.