מבוא שלג וקרח על Overhead Conductors

סופות חורף מהוות איום משמעותי על קווי כוח מעלים.הצטברות השלג והקרח מוסיפה משקל משמעותי, מגבירה עומסי אווירודינמיים, ויכולה להוביל למנצח, הבזקים, או אפילו כישלון מבני קטסטרופלי, הבנת המנגנונים הפיזיים שמאחורי הפחתת הקרח חיונית לתכנון שידור מחדש ורשתות הפצה. Computational Fluid Dynamics (CD) באמצעות בניית מודל אלומיניום מספק תבנית מורכבת של שינוי, אשר ממנגנון פעולה, אשר ממנגנון של שינוי צבע, ואפקטים, ואפקטים מורכבים, ומבנה של כל דבר, ואפקטים מורכבים, ומבנה של דפוס, ומערכת העצבים, ומערכת העצבים, אשר מספק את ה-D.

הפיזיקה של ייצוב קרח על קווי חשמל

הצטברות קרח על מוליך אחוריים מתרחשת באמצעות מספר מנגנונים נפרדים, בהתאם לתנאים המטאורולוגיים:

  • (ב) ⁇ :0) עננים: טיפת מים מבוללת 1 (על-פי ערפל או עננים להקפיא מגע עם משטח המוליכים הקר, יצירת סוללת או קרח בוהק.
  • (ב) ,0) ,התחננות: גשם מנקה 1 (Feloten) או שלג רטוב דבק בקו וקפאה, לעתים קרובות מייצרת קרח בוהק צפוף, כבד.
  • (ב) [15] , שטף אטמוספירי מערפל או מערפל:FLT:1 דומה לענן ייבוש, אך ברמה הקרקעית, לעתים קרובות מוביל לשיעורי עלייה מהירה.

קצב וצורה של צמיחה קרח תלויים במהירות רוח, טמפרטורה, התפלגות גודל טיפות, תוכן מים נוזלי, ואת העמידות פני השטח של המנצח ואת הטמפרטורה. הצטברות שלג יבש בדרך כלל לשפוך בקלות, בעוד שלג רטוב יכול לדבוק ולבנות, במיוחד כאשר מונע רוח. Accurate CFD מודלים חייב ללכוד את קצבאות אלה, כולל המעבר בין rime (dry) צמיחה וזוהר (הקרח) צמיחה (הקרח) וצמיחה).

מדוע להשתמש ב-ASYS Fluent for Power Line Icing Simulations?

Fluent מספק מערך מקיף של כלים לזרימת רב-phase, מעקב חלקיקים, ועברת חום קריטיים עבור סימולציות הרגעה:

  • (FLT:0) גישה אלגריאנוס-לגראנגיאן: אנדרל 1 (FLT:1) שלב האוויר המתמשך נפתר עם משוואות נאו-סטרוקי, בעוד שלג או טיפות מים דיסקרטיות מתבצעות כחלקיקי Lagrangian.
  • (FLT:0) Eulerian-Eulerian multiphase מודל:FLT 1 לריכוזי טיפת גבוהה, תערובת או מודל Eulerian יכול לטפל בשני השלבים כמו רצף בין-penetrating.
  • (ב) שינוי שלבאז מודל: 1FLT:1Build-in Solidification / Acting מודלים לדמות את הקפאה של טיפות על-ידי מכוסות והיתוך של קרח.
  • (FLT:0User-Defined Functions (UDFsroved Functions) (UDFsOVA): קוד המכס של 1:1 יכול ליישם חוקי עלייה אמפירית, תקשורי צפיפות קרח, או דה-קלינג פרופילי חום.

⁇ :0 ânSYS FluentFLT 1 הוא תקן התעשייה עבור ניתוחים כאלה בגלל הפיזיקה המאומתת שלה ויכולות לאחר עיבוד נרחב, המאפשר מהנדסים לדמיין צורות קרח, היסטוריה תרמית, עומסי אווירודינמי.התרחבות של התוכנה מאפשרת סימולציות של מנצחים בודדים, מנצחים ארוזים ואפילו חלקים שלמים של קו שידור.

הקמת הגיאומטריה והמאש

יצירת מודל המוליכים

החל על ידי בניית מודל תלת-ממדי של קטע קו הכוח.במקרים רבים, סעיף 2D הוא מספיק כדי ללכוד פרופילי צבירה כי הקו הוא ארוך והזרם הוא בעיקר דו-ממדי סביב גליל. עם זאת, עבור מנצחים ארוזים או אפקטים מורכבים קרקעיים, דומיין 3D מלא הוא הכרחי.

  1. צור את המנצח כצילנדר עם הקוטר האמיתי (למשל, 30 מ"מ ל 50 מ"מ עבור קווי מעל טיפוסי).
  2. Define the חישובי התחום מרחיב כמה קוטרים במעלה הזרם ולמטה הזרם (לפחות 10D) כדי להימנע מאפקטי גבול.
  3. השתמש במטוס סימטריה אם הזרם הוא סימטרי (למשל, רוח אופקית חודרת לקו).
  4. החל מאפר דק ליד פני השטח של המנצח עם y+ ערכים המתאימים למודל הזעזוע (y+ ⁇ 1 עבור k- ⁇ SST).

תנאים מורכבים ונכסים חומריים

קביעת מהירות תוך ניכוי ולחצים גבולות החוצה.עבור סימולציות, המבוא חייב גם לשאת טיפות דיסקרטיות או שלב משני.

  • (FLT:0) Air:BuildFLT:1) גז אידיאלי או צפיפות קבועה; פתיחות ו מוליכות תרמית המוגדרות בטמפרטורה מכוננת (-5 ° C עד 0 ° C).
  • (ב) ,0) טיפות מים: 1FLT 1 Density 1000 ק"ג / m3, קוטר בדרך כלל 10-50 מיקרומטר (קוטר בינוני).
  • (ב) ⁇ :0 (ב) הכחשה של קרח קרמיקה (200-600 ק"ג / מ"ג) או קרח בוהק (900 ק"ג /m3); מוליכות תרמית - 2.2 W /(mK).

Multiphase Flow ו-Particle Tracking

מודל שלב המשמעת (DPM) עבור שלג ו טיפות

DPM של ANSYSent הוא אידיאלי עבור זרמים dilute (חלקיק בגודל בינוני < 10%) חלקיקים מן המבוא עם קצב זרימה מסה מוגדר, מהירות שווה הרוח, ואת גודל אקראי חלוקת לאחר עקומת רוזין-Rammler. המפתר מחשב חלקיקים שוקלים סטיות בהתחשב בגרור, כבידה, ופיזור סוער. כאשר חלקיקים פוגע פני השטח, UDF או בנוי מודל משוואות עליות: מקפיאה, אם הוא קובע פיזור חום, אם הוא מנבאת.

(ב) [15] ⁇ ⁇ = (בקיצור חום בלתי עקבי) / (החום המלא הוסר) FLT:2 - אם השבריר שווה 1, כל המים קופאים (קרח מולד); אם פחות מ-1, 1, 000 צורות סרט נוזלי (קרח זוהר).

בשלג, יעילות ההדבקות תלויה בלחיצות השלג ובטמפרטורת פני השטח.ג שלג יבש (temperatureFLT:0°C) יכול לדבוק ולבנות. A UDF יכול לשלב התנגשויות אמפיריות מן הספרות, כגון אלה מן FLT:1 National Renewable Energy Laboratory (REL) .

מודל ה- Multiphase עבור Dense Spray

כאשר הנפח יורד על 1–2%, ה-DPM הופך יקר מבחינה חישובית ופחות מדויק. במקום זאת, השתמש במודל רב-phase של אוילרי, אשר פותר קבוצה נפרדת של משוואות המשכיות ומומנטום עבור השלבים האוויר והמים. גישה זו מתאימה יותר לתכנים במים נוזליים גבוהים (LWC) טיפוסיים של גשם קפוא.

העברה חום ומודל שינוי שלב

מודלים / Melting Model

Fluent כולל מודל מוצקה / שחרור המבוסס על ניסוח enthalpy-porosity.זה חיוני לסימול של הקפאת טיפות לאחר פיזור.אפשר את המודל ב multiphase או DPM ההתקנה, ולהגדיר את טווח הטמפרטורה של שינוי שלב (למשל,0.5 מעלות צלזיוס ל 0 מעלות צלזיוס למים). המודל עוקב אחר השבריר בכל תא; שבריר של נוזל אחד, כלומר, כלומר, כלומר, לדוגמה, עם חום רגיל, עם חום רגיל, הוא, עם חום רגיל, הוא יכול להיות בעל טמפרטורה, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, עם חום אחד, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, עם חום אחד, הוא אחד, כלומר, כלומר, עם חום אחד (כלומר, עם חום אחד) ל 0 ° C עד 0 ° C עד 0 ° C עד 0 ° C עד 0 ° C עד 0 ° C עד 0 ° C ל 0 ° C ל 0 ° C ל 0 ° C ל 0 ° C ל 0 ° C ל 0 ° C ל 0 ° C ל 0 ° C ל 0 ° C ל 0 ° C ל 0 ° C ל 0 ° C ל 0 ° C ל 0 ° C ל 0 ° C ל 0 ° C ל 0 ° C ל 0 ° C ל 0

העברה לטיפוח עבור Conductor Heating

במציאות, טמפרטורת המנצח מושפעת מהזרם החשמלי (החום הג'אול) והתנאים המסוכנים.כדי ללכוד את זה, ליצור אזור מוצק בתוך המנצח עם הדור החום הנפח (הפסדים I2R) ולאחר מכן, לאפשר העברת חום בממשק נוזלי-סולם.ההפיכה הזו חיונית, כי אפילו כמה מעלות של מוליכים יכולים למנוע חנק או להמיס, במיוחד בטווח גבוה של קווי סימולציה או עיכובים.

יצירת קרח וצמיחה לאורך זמן

קרח אינו יוצר גליל אחיד; הוא גדל לצורות מורכבות עם קרניים, נוצות, ומחסניות שמשנות עמוקות את ההתנהגות האירודינמית.כדי לדמות את האבולוציה, ניתן לשלב עם מרשימים או טכניקות משותפות.

  1. הפעל את פתרון זרימת החלקיק ואת מעקב חלקיקים למשך זמן קצר (למשל, דקה אחת של זמן אמיתי).
  2. הגדר את מסה הקרח שהופקדה על כל פנים קיר באמצעות חלקיק פלוקס ושבריר מקפיאה.
  3. עדכון הגיאומטריה על ידי העברת קיר צמת החוצה על פי נפח הקרח וצפיפות.
  4. מאפר חלק באמצעות שכבת מיש דינמי או שיטת חלקה.
  5. חזור על התהליך עד שהגיע הזמן הרצוי של ההפחתה (לדוגמה, שעה אחת).

גישה זו, אשר לעתים קרובות מיושמת באמצעות כתבי עת או UDFs, מייצרת צורות קרח מציאותיות שניתן לאמת נגד ניסויים מנהרות רוח.הגאומטריה וכתוצאה מכך ניתן להשתמש בניתוח עומס מבני או לסימול של הצטברות מושרה על ידי חוסר יכולת אווירודינמיקה.

עומסי אוויר ושפל

ברגע שהקרח צבר, הצומת של הקו הופך לאסימטרי, המוביל לכוחות הרים וגרורים של זמן שיכולים לגרום לתנודות גדולות של דגימה הידועים כ ⁇ . ANSYS Fluent יכול למקם את מדדי האווירודינמיקה (C L, C D, C M) של מנצח קרח כפוזה של חומרת חומרת התקפה זו, לאחר מכן הם פותרים דינמיקה של אנליזה (CBT) דינמית (C) או דינמית.

  • מהירות רוח:0 (ב) מהירות רוח רוחנית: 1 (FLT:1) המהירות שבה אווירודינמיקה מתנקה הופכת שלילית.
  • (ב) ,0) ,(א) ,(א) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0) תדירות של אורך התפוצה: 1FreaLT:1; נקבע על ידי מתח, מסה לכל אורך יחידה, ואורך אורך טווח.

מהנדסים יכולים להשתמש בתוצאות אלה כדי להתקין מכשירים אנטי-גלקטיים כמו כוונון של עטומים או חללים בין-phase, או כדי להגדיל את המתח במנצח.

אסטרטגיות נגד-הפחתת-הההפצה ואנטי-Icing: אימות עם CFD

סימולציות CFD אינן רק לחיזוי הצטברות, אלא גם לבדיקות אסטרטגיות להפחתה:

התנהגות (Joule Effect)

שיטה נפוצה למניעת icing היא להגדיל במכוון את העומס הנוכחי בקו, להעלות את טמפרטורת המנצח מעל הקפאת. ANSYS פלונט יכול מודל זה על ידי הצבת טמפרטורת קיר קבועה (למשל, 5 ° C) או באמצעות העברת חום conjugate עם חימום חשמל משתנה.הסימולציה מראה כמה מהר התכות או אם החום מספיק כדי לשמור על פני השטח יבש.

המונחים: De-Icing Fluid Application

עבור כמה קווי הפצה, נוזלי נגד צבירה (כמו propylene glycol) הם ריסוס. סימולציה רב-phase עם מודל תחבורה מין יכול לעקוב אחר הסרט הנוזלי ואת אפקט דיכאון נקודת הקפאה שלה.מודל יכול לייעל את קצב זרימת ותזמון היישום.

קרח חולף

סימלציה יכולה גם להעריך כיצד קרח שפך מתחת למחזור הרוח או המחזורים התרמיים.על ידי מודל של כוח הממשק המוליכים קרח (בדרך כלל באמצעות UDF, החיזוי של ניתוק כאשר הלחץ של הרחף עולה על סף), מהנדסים יכולים לחזות מתי והיכן קרח ייפול, עוזר להפחית סיכונים מתחת לקו.

מקרה מחקר: High-Voltage Transmission Line in Mountainous Terrain

בהתחשב קו שידור 230 kV חוצה את ההר לעבור נוטה הקפאת ערפל.שימוש ב- ANSYS Fluent, מהנדסים מודל 100 מ ' אורך עם 40 מ"מ קוטר ACSR תנאים: מהירות רוח 15 מ"מ / s, טמפרטורה -8 ° C, LWC 0.5 גרם / m3, ירידה החציונית 30 מיקרומטר.

אימות ומגבלות של מודלים CFD

בעוד CFD הוא חזק, יש לאמת אותו נגד נתונים ניסיוניים או מדידות שדה.

  • מודלים של FLT:0 (Turbulence Model: FLT:1, k-ε סטנדרטיים עשויים להיות נקודות הפרדה לא רצויות מאחורי גלילי קרח; מודלים של פתרון בקנה מידה (les, DES) הם מדויקים יותר אך יקר חישובי.
  • מורכבות שלב ה-FLT:0 (Ice Phase Complex: FLT:1 שינויים בצפיפות, פורוזיות, ונכסים מכניים במהלך הצטברות אינם נתפסים באופן מלא על ידי מודלים של הגשמה פשוטה.
  • (FLT:0) עלות חישובית: FLT:1 אבולוציה של צורה איתרטיבית לאורך זמן רב יכול להיות זמן-consuming; מודלים מופחתים ניתן יהיה צורך עבור יישומים הנדסיים בזמן אמת.

למרות האתגרים הללו, ANSYS פלורנט נשאר הכלי המעשי ביותר זמין למחקרים מפורטים.עבור סקירה מקיפה של מבחנים אימות, ראה את ה-FLT:0 NREL טורבינות רוח icing ResearchFLT:1, אשר חולקת פיזיקה דומה עם קו חשמל.

כיוונים עתידיים: Machine Learning and Digital Twins

הגבול הבא בקו כוח icing מודלים הוא שילוב של תוצאות CFD עם למידת מכונה כדי ליצור מודלים פונדקאית מהירה.על ידי אימון רשתות עצביות על אלפי סימולציות CFD המשתרעות על מהירות רוח, טמפרטורה, LWC, וקוטר מנצח, שירותים יכולים ליצור מודלים עתירי זמן אמת חיזויים icing. אלה פונדקאים לתוך מערכות תאום דיגיטליות לפקח על נתונים וחיזוי קרח על פני כל, המאפשר תחזוקה יעילה עבור יכולת אימונים של מנועי.

מסקנה

Fluent מספק מהנדסים עם פלטפורמה מפורטת, המבוססת על פיזיקה כדי מודל שלג וקרח מצטבר על קווי חשמל.על ידי שילוב של זרימה רב-phase, מעקב חלקיקים, העברה חום, סימולציות מזרע, סימולציות מניבות צורות קרח מציאותיות, עומסי אוויר דינמיים, והיסטוריה תרמית.מידע זה חל ישירות על תכנון מוליך חזקים יותר, תכנון פעולות דה-כימות, ומונעות כישלונות גלאופטיים, כמו כוח כמחשוב, ועוד, תחליפיים, פחות יעיל יותר, תחליפיים, אפילו יותר, למזג אווירי אקלים תעשייתיים פחות יעיל יותר, אפילו יותר, למזג אוויר קפואים, כדי לפתח תכונות אוויריות אוויריות, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, כדי לפתח את רמות יציבות נמוכה יותר, יותר, יותר, יותר, כדי לפתח את רמות יציבות נמוכה יותר של סוללות אוויריות אוויריות אוויריות אוויריות אוויריות אוויריות נמוכות יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר של סוללות אוויריות נמוכות יותר של סוללות אוויריות אוויריות אוויריות, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר ויותר יעילות יותר של סוללות אוויריות חלש יותר, כדי לפתח יכולות אוויריות יעילות יותר של סוללות אוויריות יעילות