Inleiding tot Sneeuw en ijsaccumulatie op Overhead Dirigenten

Winterstormen vormen een belangrijke bedreiging voor bovenliggende elektriciteitsleidingen. De accumulatie van sneeuw en ijs voegt een aanzienlijk gewicht toe, verhoogt de aerodynamische belasting en kan leiden tot dirigent galopperen, flitsers, of zelfs catastrofale structurele storing. Het begrijpen van de fysieke mechanismen achter ijsaccretie is essentieel voor het ontwerpen van veerkrachtige transmissie- en distributienetwerken. Computational Fluid Dynamics (CFD) met behulp van ANSYS Fluent biedt een robuust platform om de complexe multifasestroom, deeltjesdepositie en fase-verandering fenomenen te simuleren die de opbouw van ijs regelen. Dit artikel biedt een gezaghebbende, stapsgewijze gids voor het modelleren van sneeuw- en ijsaccumulatie op elektriciteitslijnen met ANSYS Fluent, die alles bestrijkt van geometrie-opstelling tot resultaatinterpretatie en praktische infrastructuurverbeteringen.

De natuurkunde van ijs Accretion op Power Lines

IJsophoping op bovenleiding vindt plaats via verschillende verschillende mechanismen, afhankelijk van de meteorologische omstandigheden:

  • In-wolk glazuur: Supergekoelde waterdruppels in mist of wolken bevriezen bij contact met het koude geleideroppervlak, waardoor rime of glazuurijs wordt gevormd.
  • Neerslag glazuur: De ijzel of natte sneeuw houdt zich aan de lijn en bevriest, vaak producerend dicht, zwaar glazuurijs.
  • Atmosferische ijsvorming uit mist of motregen: Vergelijkbaar met in-cloud glazuur maar op grondniveau, vaak leidend tot snelle accretiesnelheden.

De snelheid en vorm van ijsgroei zijn afhankelijk van windsnelheid, temperatuur, druppelgrootteverdeling, vloeibaar watergehalte en de geleider. De oppervlakteruwheid en temperatuur van de grond. Sneeuwaccumulatie volgt een andere dynamiek: droge sneeuw werpt meestal gemakkelijk, terwijl natte sneeuw kan plakken en opbouwen, vooral wanneer windgedreven. Nauwkeurige CFD-modellering moet deze nuances vastleggen, waaronder de overgang tussen rime (droge groei) en glazuur (natte groei) ijs.

Waarom ANSYS Fluent gebruiken voor Power Line Icing Simulaties?

ANSYS Fluent biedt een uitgebreide set gereedschappen voor multifasestroom, deeltjesvolgsysteem en warmteoverdracht die van cruciaal belang zijn voor ijssimulaties:

  • Euleriaan-Lagragische benadering: De continue luchtfase wordt opgelost met de Navier-Stokes vergelijkingen, terwijl discrete sneeuw- of waterdruppels worden gevolgd als Lagragische deeltjes.
  • Euleriaan-Euleriaan multifasemodel: Voor hoge druppelconcentraties kan het mengsel of Euleriaanse model beide fasen als interperenter continua behandelen.
  • Fase change modeling: Ingebouwde stollen/smelten modellen simuleren het bevriezen van supergekoelde druppels en smelten van ijs.
  • Gebruikers-Definired Functies (UDFs): Aangepaste code kan empirische accretiewetten, ijsdichtheid correlaties, of de-ijsvorming warmteflux profielen implementeren.

\ANSYS Fluent is de industriestandaard voor dergelijke analyses vanwege de gevalideerde natuurkunde en uitgebreide post-processing mogelijkheden, waardoor ingenieurs ijsvormen, thermische geschiedenissen en aerodynamische belastingen kunnen visualiseren. De software maakt het mogelijk om simulaties van enkele geleiders, gebundelde geleiders en zelfs hele transmissielijn secties.

Het instellen van de geometrie en de mesh

Het conducteurmodel maken

Begin met het bouwen van een 3D-model van het elektriciteitslijnsegment. In veel gevallen is een 2D-doorsnede voldoende om ijsaanzuigprofielen vast te leggen omdat de lijn lang is en de stroom voornamelijk tweedimensionaal rond een cilinder is. Echter, voor gebundelde geleiders of complexe terreineffecten is een volledig 3D-domein nodig. Typische stappen:

  1. Maak de geleider als cilinder met de werkelijke diameter (bv. 30 mm tot 50 mm voor typische bovenleidingen).
  2. Definieer het computationele domein dat meerdere geleidersdiameters stroomopwaarts en stroomafwaarts (ten minste 10D) uitbreidt om grenseffecten te voorkomen.
  3. Gebruik een symmetrievlak als de stroom symmetrisch is (bv. horizontale wind loodrecht op de lijn).
  4. Breng een fijne gaas aan in de buurt van het geleideroppervlak met y+-waarden die geschikt zijn voor het turbulentiemodel (y+ ≈ 1 voor k-ω SST).

Grenzen en materiële eigenschappen

De inlaatsnelheid en de uitlaatgrenzen moeten worden bepaald. Voor ijssimulaties moet de inlaat ook discrete druppels of een secundaire fase bevatten.

  • Lucht: Oncomprimerend ideaal gas of constante dichtheid; viscositeit en thermische geleidbaarheid gedefinieerd bij omgevingstemperatuur (~-5°C tot 0°C).
  • Waterdruppels: Dichtheid 1000 kg/m3, diameter typisch 10
  • IJs: Dichtheid voor rime-ijs (200

Multifasestroom en deeltjes volgen

Discrete fasemodel (DPM) voor sneeuw- en druppels

De stroming van de stroming is ideaal voor verdunde stromen (volumefractie < 10%). Injecteer deeltjes uit de inlaat met een gespecificeerde massastroom, snelheid gelijk aan de wind en willekeurige grootteverdeling volgens een Rosin-Rammler curve. De oploser berekent deeltjestrajecten met inachtneming van drag, zwaartekracht en turbulente dispersie. Wanneer een deeltje het geleideroppervlak raakt, bepaalt een UDF of ingebouwd klevend model of het zich aan hecht. Voor supergekoelde druppels voorspelt de warmtebalansvergelijking de vriesfractie:

Freezing fraction = (late warmte die vrijkomt) / (convectieve warmte die wordt verwijderd)

Voor sneeuw is de lijmefficiëntie afhankelijk van de natte sneeuw en de oppervlaktetemperatuur. Droge sneeuw (temperatuur < 0°C) typically does not stick, while wet snow (>0°C) kan hechten en opbouwen. Een UDF kan empirische correlaties uit de literatuur opnemen, zoals die uit het National Renewable Energy Laboratory (NREL) .

Euleriaans multifasemodel voor Dense Spray

Wanneer de volumefractie van de druppel groter is dan 1

Warmteoverdracht en faseverandering Modellering

Solidering/Meltmodel

ANSYS Fluent bevat een stollen/smelten model gebaseerd op een enthalpy-porosity formulering. Dit is essentieel voor het simuleren van het bevriezen van druppels na depositie. Schakel het model in in de multifase of DPM setup, en definieer het fase-verandering temperatuurbereik (bijv. -0,5 °C tot 0°C voor water). Het model volgt de vloeibare fractie in elke cel; een vloeibare fractie van 1 betekent vloeibaar water, 0 betekent ijs. Voor elektriciteitsleidingen kan de geleider worden gemodelleerd als een muur met een bepaalde temperatuur (vaak bij omgeving) of met een warmtegeneratie term om ohmische verwarming van de stroom te vertegenwoordigen.

Verbindingswarmteoverdracht voor geleiderverwarming

In werkelijkheid wordt de geleidertemperatuur beïnvloed door de elektrische stroom (Joule verwarming) en de omgevingsomstandigheden. Om dit vast te leggen, creëert u een vaste zone binnen de geleider met volumetrische warmteopwekking (I2R verliezen). Vervolgens maakt u geconjugeerde warmteoverdracht mogelijk op de vloeistof-vaste interface. Deze koppeling is van vitaal belang omdat zelfs een paar graden geleiderverwarming kan voorkomen dat ijsvorming of smelten veroorzaken, vooral in hoge stroomlijnen. De simulatie toont of de geleider boven 0°C blijft, vertragen of voorkomen accretie.

Modelleren van ijs Accretion Vorm en groei in de tijd

Ijs vormt geen uniforme cilinder; het groeit uit tot complexe vormen met hoorns, veren en ribbels die het aerodynamische gedrag grondig veranderen. Om vormevolutie te simuleren, kan ANSYS Fluent gecombineerd worden met mesh morphing of re-meshing technieken. De workflow:

  1. Voer de stroomoplossing en deeltjestracking voor een korte tijdstap (bijvoorbeeld 1 minuut real time) uit.
  2. Bereken de ijsmassa die op elke wand wordt afgezet met behulp van de deeltjesflux en de vriesfractie.
  3. Update de geometrie door wandknooppunten naar buiten te bewegen volgens het ijsvolume en de dichtheid.
  4. Een gladde maas met behulp van dynamische mesh gelaagdheid of een gladmakingsmethode.
  5. Herhaal het proces totdat de gewenste totale accretietijd (bijvoorbeeld 1 uur) is bereikt.

Deze iteratieve aanpak, vaak geïmplementeerd via journaling scripts of UDFs, produceert realistische ijsvormen die gevalideerd kunnen worden tegen windtunnel experimenten. De resulterende geometrie kan dan worden gebruikt voor structurele belasting analyse of voor het simuleren galopperen geïnduceerd door aerodynamische instabiliteiten.

Aerodynamische belasting en galopping instabiliteit

Zodra ijs is bevestigd, wordt de lijn doorsnede asymmetrisch, wat leidt tot tijd-variabel tillen en drag forces die grote-amplitude oscillaties die bekend staan als galopperen veroorzaken. ANSYS Fluent kan de aerodynamische coëfficiënten (C L, C D, C M) van een ijsgeleider als functie van de hoek van aanval berekenen. Deze coëfficiënten worden dan gebruikt in een afzonderlijke structurele dynamische oplosser (bijvoorbeeld ANSYS Mechanical of een aangepaste MATLAB script) om het begin en de ernst van galopperen te voorspellen. Belangrijkste parameters:

  • Kritieke windsnelheid: De snelheid waarmee aerodynamische demping negatief wordt.
  • IJsvormsymmetrie: Zelfs kleine onregelmatigheden veranderen de lifthelling drastisch.
  • Natuurlijke frequentie van de spanwijdte: Bepaald door spanning, massa per lengte eenheid en spanlengte.

Ingenieurs kunnen deze resultaten gebruiken om anti-galpende apparaten zoals detuning slingers of interfase afstandhouders te installeren, of om de spanning in de geleider te verhogen.

De-Icing en Anti-Icing Strategieën: Valideren met CFD

De simulaties van CFD's zijn niet alleen bedoeld om accumulatie te voorspellen, maar ook om mitigatiestrategieën te testen:

Verwarming van de geleider (Joule Effect)

Een veelvoorkomende methode om ijsvorming te voorkomen is het opzettelijk verhogen van de stroombelasting in de lijn, waardoor de geleidertemperatuur boven het vriespunt stijgt. ANSYS Fluent kan dit modelleren door een constante wandtemperatuur (bijv. 5°C) in te stellen of door geconjugeerde warmteoverdracht met variabele elektrische verwarming. De simulatie toont aan hoe snel het ijs smelt of of of de warmte voldoende is om het oppervlak droog te houden.

De-Icing Fluid-applicatie

Voor sommige distributielijnen worden ijswerende vloeistoffen (zoals propyleenglycol) gesprayd. Een multifase simulatie met een transportmodel van een soort kan de dikte van de vloeistoffilm en het effect van de vriespuntdepressie volgen. Het model kan de stroomsnelheid en de toepassingstijd optimaliseren.

Passieve ijsafscheiding

Simulaties kunnen ook beoordelen hoe ijs onder wind- of thermische cycli valt. Door de hechtingssterkte van de ijsgeleiderinterface te modelleren (doorgaans via een UDF die onthechting voorspelt wanneer de druk een drempel overschrijdt), kunnen ingenieurs voorspellen wanneer en waar het ijs zal vallen, waardoor de risico's onder de lijn worden beperkt.

Casestudy: High-voltage Transmission Line in Mountainous Terrain

Beschouw een 230 kV transmissielijn die een bergpas doorlaat die gevoelig is voor vriesmist. Met behulp van ANSYS Fluent, modelleerde ingenieurs een 100 m spanwijdte met een 40 mm diameter ACSR geleider. Belangrijkste voorwaarden: windsnelheid 15 m/s, omgevingstemperatuur -8°C, LWC 0,5 g/m3, mediane druppeldiameter 30 μm. Na het simuleren van 2 uur accretie, werd de ijsmassa voorspeld op 3,2 kg/m . Een 150% toename over het blote gewicht van de geleider. De ijsvorm was asymmetrisch, met hoorns vormen aan de upstream kant. Aerodynamische coëfficiënten onthulden een negatieve lift helling tussen -5° en +10° hoek van de aanval, wat een hoog risico op galopperen aangeeft. De lijnoperator gebruikte deze gegevens om interfase afstandhouders te installeren en om een stroomaanjagende de-ijsprocedure tijdens stormen te plannen. CIGRE] Richtlijnen inzake ijsbelastingen bevelen soortgelijke op basis van CFD-gebaseerde beoordelingen aan voor kritische lijnen.

De Commissie is van mening dat de in de punten 4 en 4 van de richtsnoeren beschreven benadering van de Commissie niet van invloed is op de toepassing van de in artikel 4, lid 1, van Verordening (EU) nr. 648/2012 bedoelde criteria.

Hoewel CFD krachtig is, moet het worden gevalideerd tegen experimentele gegevens of veldmetingen. Enkele beperkingen zijn onder meer:

  • Turbulentiemodellen: De standaard k-ε kan scheidingspunten achter ijscilinders verkeerd voorspellen; schaaloplossende modellen (LES, DES) zijn nauwkeuriger, maar rekenend duurder.
  • IJsfase complexiteit: Veranderingen in dichtheid, porositeit en mechanische eigenschappen tijdens accretie worden niet volledig opgevangen door eenvoudige slijtmodellen.
  • Computatiekosten: De evolutie van de iteratieve vorm gedurende vele tijdstappen kan tijdrovend zijn; modellen voor real-time engineering kunnen nodig zijn.

Ondanks deze uitdagingen blijft ANSYS Fluent het meest praktische hulpmiddel voor gedetailleerde ijsvormingsstudies. Zie voor een uitgebreid overzicht van validatiebenchmarks het NREL windturbine ijsvormingsonderzoek, dat vergelijkbare natuurkunde deelt met stroomleiding glacing.

Toekomstige aanwijzingen: Machine learning en digitale tweelingen

De volgende grens in de stroomlijn ijsvorming modelleren is de integratie van CFD resultaten met machine leren om snelle surrogaat modellen te creëren. Door het trainen van neurale netwerken op duizenden CFD simulaties over windsnelheid, temperatuur, LWC, en geleider diameter, utilities kunnen genereren real-time ijsvorming voorspellingen. Deze surrogaten voeden zich met digitale tweeling systemen die de weersgegevens te controleren en ijsbelasting te voorspellen over het hele net, waardoor proactief onderhoud. ANSYS Fluent .. .

Conclusie

ANSYS Fluent biedt ingenieurs een gedetailleerd, natuurkundig platform om de accumulatie van sneeuw en ijs op elektriciteitsleidingen te modelleren. Door het combineren van multifasestroom, deeltjestracking, warmteoverdracht en mesh deformatie, geven simulaties realistische ijsvormen, aerodynamische belastingen en thermische geschiedenissen. Deze informatie is direct toepasbaar op het ontwerpen van sterkere geleiders, het plannen van de ijsvorming en het voorkomen van galopstoringen. Naarmate de rekenkracht toeneemt en de surrogaatmodellen rijpen, zal CFD een nog integraaler onderdeel worden van de weerbestendigheid van de winter voor elektrische infrastructuur. Voor elk gebruik dat werkt in koude klimaats, vertaalt investeren in deze simulatiemogelijkheden zich direct in minder uitval, lagere reparatiekosten en veiliger, betrouwbaarder en betrouwbaarder energielevering.