Introduzione alla neve e all'accumulazione del ghiaccio sui conduttori di testa

L'accumulo di neve e ghiaccio aggiunge un peso sostanziale, aumenta i carichi aerodinamici, e può portare a gallo, flashover, o anche guasto strutturale catastrofico. Capire i meccanismi fisici dietro l'accumulo di ghiaccio è essenziale per la progettazione di reti di trasmissione e distribuzione resilienti.

La Fisica dell'Accrezione del Ghiaccio sulle Linee di Potere

L'accumulo di ghiaccio sui conduttori di testa avviene attraverso diversi meccanismi distinti, a seconda delle condizioni meteorologiche:

  • In-cloud icing:[ Gocce d'acqua supercooled in nebbia o nuvole congelare a contatto con la superficie del conduttore freddo, formando rime o ghiaccio di smalto.
  • Cacciatura di precipitazione:[ La pioggia di congelamento o neve bagnata aderisce alla linea e congela, spesso producendo ghiaccio di smalto denso e pesante.
  • Cacciatura atmosferica da nebbia o drizzle:[] Simile alla ciliegina in-cloud ma a livello del suolo, spesso portando a tassi di accrezione rapidi.

La velocità e la forma della crescita del ghiaccio dipendono dalla velocità del vento, dalla temperatura, dalla distribuzione delle dimensioni del gocciolo, dal contenuto di acqua liquida e dalla rugosità e dalla temperatura del conduttore. L’accumulo di neve segue una dinamica diversa: la neve secca si scioglie in genere facilmente, mentre la neve bagnata può attaccare e costruire, soprattutto quando si guida il vento.

Perché utilizzare ANSYS Fluent per le simulazioni di Icing della linea di alimentazione?

ANSYS Fluent fornisce un insieme completo di strumenti per il flusso multifase, il monitoraggio delle particelle e il trasferimento di calore che sono critici per le simulazioni di tracciamento:

  • L'approccio euleriano-lagrangiano: La fase dell'aria continua viene risolta con le equazioni Navier-Stokes, mentre le gocce di neve o di acqua discreti vengono tracciate come particelle lagrangian.
  • Modello multifase euleriano-eulerico: Per alte concentrazioni di goccia, la miscela o modello euleriano può trattare entrambe le fasi come continua interpenetrating.
  • Modelli di cambiamento di tipo:[ Modelli di solidificazione/fusione integrati simulano il congelamento di gocce super raffreddate e la fusione di ghiaccio.
  • Funzioni definite dall'utente (UDFs): Il codice personalizzato può implementare leggi di accrezione empirica, correlazioni di densità di ghiaccio o profili di flusso di calore di de-icing.

\ANSYS Fluent[[[]]] è lo standard industriale per tali analisi a causa della sua fisica convalidata e delle sue ampie capacità di post-elaborazione, consentendo agli ingegneri di visualizzare le forme di ghiaccio, le storie termiche e i carichi aerodinamici.

Impostazione della Geometria e della Mesh

Creazione del Modello del Conduttore

Iniziare costruendo un modello 3D del segmento della linea di alimentazione. In molti casi, una sezione trasversale 2D è sufficiente per catturare i profili di accrescimento del ghiaccio perché la linea è lunga e il flusso è prevalentemente bidimensionale intorno a un cilindro. Tuttavia, per conduttori in bundle o effetti terreni complessi, è necessario un dominio 3D completo.

  1. Creare il conduttore come cilindro con il diametro effettivo (ad esempio, 30 mm a 50 mm per linee tipiche della testa).
  2. Definire il dominio computazionale che estende diversi diametri del conduttore a monte e a valle (almeno 10D) per evitare effetti di confine.
  3. Utilizzare un piano di simmetria se il flusso è simmetrico (ad esempio, vento orizzontale perpendicolare alla linea).
  4. Applicare una maglia fine vicino alla superficie del conduttore con valori y+ appropriati per il modello di turbolenza (y+ ≈ 1 per k-ω SST).

Condizioni e proprietà dei materiali

Per le simulazioni di incisione, l'ingresso deve anche portare gocce discrete o una fase secondaria. Le proprietà dei materiali chiave includono:

  • Aria:[] Gas ideale incompressibile o densità costante; viscosità e conducibilità termica definita a temperatura ambiente (~-5°C a 0°C).
  • Opzioni d'acqua:[ Densità 1000 kg/m3, diametro tipicamente 10–50 μm (diametro di volume medio).
  • Ice:[] Densità per il ghiaccio rime (200–600 kg/m3) o ghiaccio di smalto (900 kg/m3); conducibilità termica ~2.2 W/(m·K).

Flusso multifase e tracciamento particella

Modello di fase discreta (DPM) per neve e goccioline

Il DPM di ANSYS Fluent è ideale per i flussi diluiti (frazione di volume < 10%). Le particelle iniettate dall'ingresso con una velocità di flusso di massa specificata, la velocità uguale al vento e la distribuzione casuale delle dimensioni dopo una curva di Rosin-Rammler. Il risolutore calcola le traiettorie di particelle considerando la resistenza, la gravità e la dispersione turbolenta.

]] frazione di congelamento = (calore latente rilasciato) / (rimozione termica)[ – se la frazione è uguale a 1, tutti i congelati dell'acqua (calco secco); se meno di 1, forme di pellicola liquida (ghiaccio glaciale).

]

Per la neve, l’efficienza appiccicosa dipende dalla bagnatezza della neve e dalla temperatura superficiale. La neve secca (temperatura [[< 0°C) typically does not stick, while wet snow (>0°C) può aderire e costruire. Un UDF può incorporare correlazioni empiriche dalla letteratura, come quelle del National Renewable Energy Laboratory (NREL)].

Modello multifase eulerico per spray denso

Quando la frazione del volume di goccia supera il 1–2%, il DPM diventa computazionalmente costoso e meno accurato. Invece, utilizzare il modello multifase euleriano, che risolve un insieme separato di continuità e equazioni di slancio per le fasi dell'aria e dell'acqua. Questo approccio è più adatto per il contenuto di acqua liquida alta (LWC) condizioni tipiche della pioggia di congelamento. Il modello di accrezione del ghiaccio può ancora essere applicato tramite un UDF che calcola la massa di ghiaccio proveniente dall'acqua.

Modello di trasferimento termico e cambiamento di fase

Solidificazione/Modello di fusione

Il fluido ANSYS include un modello di solidificazione/melting basato su una formulazione di porosità entalpia, essenziale per simulare il congelamento delle gocce dopo la deposizione. Abilitare il modello nella configurazione multifase o DPM e definire l'intervallo di temperatura di cambiamento di fase (ad esempio, -0.5°C a 0°C per l'acqua).

Trasferimento termico per riscaldamento a conduttore

In realtà, la temperatura del conduttore è influenzata dalla corrente elettrica (calore joule) e dalle condizioni ambientali. Per catturare questo, creare una zona solida all'interno del conduttore con generazione di calore volumetrico (perdite I2R). Quindi, consentire il trasferimento di calore coniugato all'interfaccia fluido-solid. Questo accoppiamento è vitale perché anche pochi gradi di riscaldamento del conduttore possono impedire la ghiacciatura o causare fusione, soprattutto in linee ad alta corrente.

Modelli su ghiaccio Accretion forma e crescita nel tempo

Il ghiaccio non forma un cilindro uniforme; cresce in forme complesse con corna, piume e creste che alterano profondamente il comportamento aerodinamico. Per simulare l'evoluzione della forma, ANSYS Fluent può essere combinato con tecniche di morfizzazione o di rimessaggio della maglia.

  1. Eseguire la soluzione di flusso e il tracciamento delle particelle per un breve periodo di tempo (ad esempio, 1 minuto di tempo reale).
  2. Compiti la massa di ghiaccio depositata su ogni parete utilizzando il flusso di particelle e la frazione di congelamento.
  3. Aggiornare la geometria spostando i nodi a parete verso l'esterno secondo il volume e la densità del ghiaccio.
  4. Una maglia liscia utilizzando la stratificazione dinamica della maglia o un metodo di lisciatura.
  5. Ripetere il processo fino al tempo di accrescimento totale desiderato (ad esempio, 1 ora) è raggiunto.

Questo approccio iterativo, spesso implementato attraverso gli script di giornali o gli UDF, produce forme di ghiaccio realistiche che possono essere convalidate contro gli esperimenti di tunnel eolico. La geometria risultante può essere utilizzata per l'analisi del carico strutturale o per la simulazione di galoppanti indotti da instabilità aerodinamiche.

Carico aerodinamico e instabilità Galloping

Una volta che il ghiaccio è accresciuto, la sezione trasversale della linea diventa asimmetrica, portando a tempo-varing sollevare e trascinare le forze che possono causare oscillazioni di grande dimensione nota come galoppante.

  • Velocità del vento critico:[ La velocità a cui l'umidazione aerodinamica diventa negativa.
  • Simmetria della forma dell'Ice: Anche lievi irregolarità alterano drasticamente la pendenza dell'ascensore.
  • La frequenza naturale della campata: Determinata dalla tensione, dalla massa per unità di lunghezza e dalla lunghezza della campata.

Gli ingegneri possono utilizzare questi risultati per installare dispositivi anti-galloping come pendoli detuning o distanziatori interfase, o per aumentare la tensione nel conduttore.

Strategie di de-Icing e anti-Icing: Convalida con CFD

Le simulazioni CFD non sono solo per prevedere l'accumulo, ma anche per le strategie di mitigazione dei test:

Riscaldamento conduttore (Effetto joule)

Un metodo comune per evitare che la glassa aumenti deliberatamente il carico corrente della linea, aumentando la temperatura del conduttore sopra il congelamento. ANSYS Fluent può modellare questo impostando una temperatura di parete costante (ad esempio, 5°C) o utilizzando il trasferimento di calore coniugato con il riscaldamento elettrico variabile. La simulazione mostra quanto velocemente il ghiaccio si scioglie o se il calore è sufficiente per mantenere la superficie asciutta.

Applicazione fluida di de-Icing

Per alcune linee di distribuzione, vengono spruzzati liquidi anti-icing (come il glicole propilene) e una simulazione multifase con un modello di trasporto di specie può monitorare lo spessore della pellicola fluida e il suo effetto di depressione del punto di congelamento.

Imbottitura di ghiaccio passiva

Modellando la resistenza all'adesione dell'interfaccia del conduttore di ghiaccio (tipicamente tramite un UDF che prevede il distacco quando lo stress di taglio supera una soglia), gli ingegneri possono prevedere quando e dove il ghiaccio cadrà, contribuendo a mitigare i rischi al di sotto della linea.

Case study: Linea di trasmissione ad alta tensione in terra montana

Considerare una linea di trasmissione da 230 kV che attraversa un passaggio di montagna incline a congelamento della nebbia. Utilizzando ANSYS Fluent, gli ingegneri hanno modellato una campata da 100 m con un conduttore ACSR di diametro 40 mm.

Validazione e Limitazioni dei modelli CFD

Mentre il CFD è potente, deve essere convalidato contro i dati sperimentali o le misurazioni sul campo.

  • Modelli di turbolenza:[] I punti di separazione standard k-ε possono essere erroneamente predetti dietro i cilindri a ghiacciato; modelli di risoluzione della scala (LES, DES) sono più precisi ma computazionalmente costosi.
  • La complessità della fase dell'attrito:[] Le variazioni della densità, della porosità e delle proprietà meccaniche durante l'acrezione non sono completamente catturate da semplici modelli di solidificazione.
  • Costo computazionale:[] L'evoluzione della forma iterativa può essere di lunga durata; potrebbero essere necessari modelli di ordine ridotto per applicazioni di ingegneria in tempo reale.

Nonostante queste sfide, ANSYS Fluent rimane lo strumento più pratico disponibile per studi di glassa dettagliati.Per una panoramica completa dei benchmark di validazione, vedere il NREL vento turbina che icing ricerca[, che condivide fisica simile con la linea di alimentazione.

Direzioni future: Apprendimento della macchina e Gemelli digitali

La prossima frontiera nella modellazione della linea di alimentazione è l’integrazione dei risultati CFD con l’apprendimento automatico per creare modelli di surrogato veloci. La formazione di reti neurali su migliaia di simulazioni CFD che spaziano dalla velocità del vento, dalla temperatura, dal LWC e dal diametro del conduttore, le utilità possono generare previsioni di ondulazione in tempo reale.

Conclusioni

ANSYS Fluent fornisce agli ingegneri una piattaforma dettagliata e fisica per modellare l'accumulo di neve e ghiaccio sulle linee elettriche. Combinando il flusso multifase, il tracciamento delle particelle, il trasferimento di calore e la deformazione della rete, le simulazioni producono forme realistiche di ghiaccio, i carichi aerodinamici e le istorie termiche.