一种基于CFD的输电线路覆冰状态模拟方法

摘要

本发明公开了一种基于CFD的输电线路覆冰状态模拟方法，属于电力系统的气象灾害预防技术领域，包括以下步骤：利用计算流体力学仿真软件建立输电线路风洞模型；对输电线路覆冰区域进行网格划分，计算输电线路周围空气流场分布；建立空气中冷却水滴运动方程，分析求解水滴运行轨迹，进而获取水滴局部撞击系数；求解输电线路覆冰质量；计算不同时间步长下的输电线路覆冰形态，确定边界移动并进行重构；分析不同因素对输电线路覆冰形态的影响。本发明采用计算流体软件进行混合网格划分，有利于呈现输电线路覆冰形态真实模拟，同时对冷却水滴运动碰撞系数、输电线路表面单元控制体冻结系数进行计算，使得输电线路覆冰形态变化结果可靠性高。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统的气象灾害预防技术领域，具体为一种基于CFD的输 电线路覆冰状态模拟方法。

背景技术

输电线路覆冰是大气中冻雨在输电线路表面发生冻结的自然现象，北方寒 冷气流与南方暖湿气流交汇形成的静止锋面促使空气中冷却水滴含量增加，在 微地形和微气候的共同影响下极易导致覆冰。我国是遭受覆冰灾害严重国家之 一，2004年底，重庆地区出现了罕见的冬雨天气，导致架空线路大范围覆冰， 覆冰程度重，且持续时间长，现场实测导线覆冰厚度平均60mm，局部高达100mm, 且覆冰密度大，平均达到0.9g/cm3,冻雨天气持续时间近10天，覆冰荷载严重超 出杆塔的设计承载力。严重的输电线路覆冰常导致倒塔断线、金具损坏、导线 舞动、绝缘子串冰闪跳闸等，进而引发局部或大面积停电事故，严重威胁电力 系统安全稳定运行，不仅造成巨大经济损失，而且给人民生活带来极度不便。 然而，目前对于导线覆冰机理特性研究仍是国内外亟待解决的技术难题，覆冰 受气象参数多变性和随机性的影响，难以现场模拟观测。因此，开展输电线路 覆冰状态模拟工作，对于输电线路覆冰在线监测及预警的研究具有理论指导和 工程应用价值。

目前，国内已开展了较多输电线路覆冰状态相关研究工作，专利(CN201210316715)提供了一种用于预测输电线路上的覆冰状态的方法和装置，即 从至少一个气象传感器采集实时气象数据，通过实时气象数据、初始场以及天 气预报模型，生成气象要素预测值，以及根据气象要素预测值以及输电线路的 属性信息,获取输电线路中满足覆冰条件的线路集合；专利(CN201410697521.7) 提出了一种基于BP神经网络和模糊专家系统的输电线路覆冰状态评估方法，该 方法通过环境温度、环境相对湿度判断是否达到覆冰条件，进而获取环境温度 差、覆冰持续时间和覆冰厚度，并计算出环境温度差、等效覆冰厚度和覆冰持 续时间的覆冰权重值。专利(CN110657834A)提出了一种微地形区域电网输电线路覆冰状态判断方法及装置，通过获取微地形区域电网的气象环境，并采集 微地形区域电网的气象数据，根据微地形区域电网的气象环境和微地形区域电 网的气象数据确定微地形区域电网输电线路覆冰状态(覆冰增长状态、覆冰消 融状态)，提高覆冰状态判断的准确度。然而，这些专利提出的方法均未对输 电线路覆冰形态进行数值模拟研究，不具备较强的理论合理性，导致输电线路 覆冰形态呈现的客观性有所降低的缺点，且不具有明显的经济性和高效性等优 势。

针对上述方法存在的问题，迫切需要一种效率性更快、经济性更高的输电 线路覆冰状态模拟方法，支撑输电线路覆冰灾害损失评估，提高输电线路应对 覆冰灾害的能力和安全稳定运行水平。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷， 提供一种基于CFD的输电线路覆冰状态模拟方法，该方法利用计算流体力学仿 真软件建立输电线路风洞模型，采用混合网格划分对输电线路周围空气流场分 布进行计算，通过建立空气中冷却水滴运动方程、分析水滴运动轨迹，获取水 滴与输电线路局部碰撞系数，并将输电线路覆冰表面离散成控制体，通过建立 热力学模型建立质量平衡和能量平衡方程计算输电线路覆冰质量，根据环境温 度、风速大小、输电线路直径大小等因素，输出不同因素对输电线路覆冰形态 的定量影响程度，为重要输电通道的安全稳定运行提供技术支撑。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种基于CFD的输电线路 覆冰状态模拟方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S1、利用计算流体力学(简称：CFD)仿真软件建立输电线路风洞模型；

步骤S2、对输电线路覆冰区域进行网格划分，计算输电线路周围空气流场 分布；

步骤S3、建立空气中冷却水滴运动方程，分析求解水滴运行轨迹，进而获 取水滴局部撞击系数；

步骤S4、将输电线路覆冰表面离散成若干微小控制体，通过热力学模型建 立质量平衡和能量平衡方程，求解输电线路覆冰质量；

步骤S5、计算不同时间步长下的输电线路覆冰形态，确定边界移动并进行 重构；

步骤S6、根据环境温度、风速大小和输电线路直径大小因素，分析不同因 素对输电线路覆冰形态的影响。

在所述的步骤S1中，考虑到输电线路横截面大部分为正圆形，可直接使用 Gambit软件建立二维风洞模型。

在所述的步骤S2中，网格划分主要分为结构化网格和非结构化网格，其中 结构化网格具有生成速度快、质量好、数据结构简单、计算易收敛等优点，但 只能作为简单几何外形流场求解计算；对于输电电路附近区域，需要划分适应 能力强的非结构化网格。输电线路周围空气流场分布采用湍流数值计算中的雷 诺平均N-S方程法，将湍流的瞬时运动分解成脉动运动和平均运动，再通过雷 诺应力项模块化脉动运动对平均运动的贡献，即求解如下方程：

其中，ρ为密度，t为时间，k为湍流动能，u

在所述的步骤S3中，建立空气中冷却水滴运动方程之前作出假设包括：(1) 运动过程中过冷却水滴的温度与周围环境温度相同，且不与周围空气发生热交 换；(2)过冷却水滴在空气中均匀分布，运动过程中物理特性保持不变；(3) 空气流动不受过冷却水滴的影响。冷却水滴运动方程如下：

其中，x

由过冷却水滴的运动轨迹计算出碰撞点位置后，可以通过一组水滴的纵向 初始位置获取对应的碰撞点位置，对函数求导即可得到水滴局部撞击系数。

在所述的步骤S4中，可以通过经典的Messinger热力学模型进行覆冰质量 计算，即根据覆冰表面每个控制体内水凝结成冰时释放的热量、空气对流与覆 冰交换的能量、气流在覆冰表面摩擦产生的能量、水滴或覆冰表面蒸发损失的 能量和水滴撞击带来的能量，建立覆冰表面控制体的能量平衡方程，并联立质 量守恒方程，求解方程组得到每个控制体的冻结系数，进而计算覆冰质量。

在所述的步骤S5中，确定边界移动并进行重构具体指经过△t时间计算后， 输电线路覆冰形态将发生变化，必然引起网格边界的更新，变化的覆冰形态将 影响输电线路周围的空气流场，使过冷却水滴的运动轨迹和撞击特性发生变化， 因此计算下一时间步长前，必须对网格划分进行边界重构，进而求最新的空气 流场与水滴撞击特性。

在所述的步骤S6中，环境温度直接影响覆冰的冻结系数，一般来说，随着 温度升高，冻结系数成正态分布，覆冰密度增大，覆冰由新月形雾凇变成混合 淞再到雨凇，雨凇受溢流水影响导致覆冰范围增大；风速影响覆冰的冻结系数、 覆冰范围与水滴的局部碰撞特性，使得覆冰形态发生变化，随着风速增大，形 成两边冰层较厚，中间较薄的覆冰现象；输电线路直接决定其周围的空气流场， 直径较大时，单位面积覆冰强度较小，当直径减小时，其单位面积覆冰强度增 大，覆冰形态变得不规则，覆冰类型由雾凇向混合淞至雨凇转变。

考虑到影响输电线路覆冰形态变化致因主要因素为气象要素(温度、风速 等)和输电线路本体特征。为了充分考虑气象要素和输电线路直径等因子对输 电线路覆冰形态影响，弥补现有输电线路覆冰形态定量影响不清晰等不足，本 发明从数值模拟提出了一种基于CFD的输电线路覆冰状态模拟方法，本质上将 输电线路覆冰形态过程分解为输电线路空气场分布、冷却水滴运动、多尺度分 布的水滴碰撞阶段，利用主流计算流体力学模拟软件建立输电线路风洞模型， 分别采用拉格朗日法、Runge-Kutta法计算水滴运动轨迹、碰撞系数，通过 Messinger覆冰模型建立质量平衡和能量平衡方程，求解输电线路表面单元控制 体的冻结系数，计算输电线路覆冰质量、覆冰形态与覆冰类型，并分析不同环 境参数和输电线路本体特征对覆冰形态产生的影响，最终实现输电线路覆冰形 态模拟。

本发明的有益效果为：

1)本发明不仅考虑了影响输电线路覆冰形态外部环境因素，而且考虑到输 电线路直径影响，进而对输电线路覆冰形态进行定量模拟，更加符合输电线路 覆冰形态变化的实际情况。

2)本发明采用主流成熟的计算流体软件进行混合网格划分，有利于呈现输 电线路覆冰形态真实模拟，同时对冷却水滴运动碰撞系数、输电线路表面单元 控制体冻结系数进行计算，具有理论基础强、易操作等特点，输电线路覆冰形 态变化结果可靠性高。

3)本发明的方法流程相对详尽，可操作性强，更具有实用性。

附图说明

图1是本发明实施例中一种基于CFD的输电线路覆冰状态模拟方法的流程 图。

图2输电线路风洞模型图。

图3输电线路覆冰区域网格化分图。

图4冷却水滴的运动轨迹图。

图5网格重构图。

图6输电线路覆冰形态图。

具体实施方式

由于目前建立的输电线路覆冰形态物理模型仍不够精确，特别是模型中的 部分参数值在实际应用过程中难以通过测量获取输电线路相关信息，因此利用 物理模型进行输电线路覆冰形态的准确性和实用性均比较低。基于CFD的输电 线路覆冰状态模拟方法通过对输电线路周围空气分布进行计算，进而求解覆冰 形成机理中的冷却水滴运动轨迹及局部碰撞系数，提供了一种输电线路覆冰质 量计算方法，它为输电线路覆冰形态变化的准确模拟提供了一种更加可行的操 作方式。

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作 更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

以重庆电网±500kv直流某输电线路(直径28mm)为例，具体实施操作步 骤如下：

步骤S1，如图2所示，利用计算流体力学(简称：CFD)仿真软件建立输电 线路风洞模型，输电线路横截面为正圆形，直接使用Gambit软件建立二维风洞 模型：

步骤S2，如图3所示，对输电线路覆冰区域进行混合网格划分，并计算输 电线路周围空气流场分布，针对输电线路周围空气流场分布利用湍流数值计算 中的雷诺平均N-S方程法，将湍流的瞬时运动分解成脉动运动和平均运动，再 通过雷诺应力项模块化脉动运动对平均运动的贡献，即求解如下方程：

其中，ρ为密度，t为时间，k为湍流动能，u

步骤S3，建立空气中冷却水滴运动方程，假设包括：(1)运动过程中过冷 却水滴的温度与周围环境温度相同，且不与周围空气发生热交换；(2)过冷却 水滴在空气中均匀分布，运动过程中物理特性保持不变；(3)空气流动不受过 冷却水滴的影响。冷却水滴运动方程如下：

其中，x

如图4所示，由过冷却水滴的运动轨迹计算出碰撞点位置后，可以通过一 组水滴的纵向初始位置获取对应的碰撞点位置，对函数求导即可得到水滴局部 撞击系数。

步骤S4，将输电线路覆冰表面离散成若干微小控制体，通过经典的 Messinger热力学模型进行覆冰质量计算，即根据覆冰表面每个控制体内水凝结 成冰时释放的热量、空气对流与覆冰交换的能量、气流在覆冰表面摩擦产生的 能量、水滴或覆冰表面蒸发损失的能量和水滴撞击带来的能量，建立覆冰表面 控制体的能量平衡方程，并联立质量守恒方程，求解方程组得到每个控制体的 冻结系数，进而计算覆冰质量；

步骤S5，如图5所示，计算不同时间步长下的输电线路覆冰形态，确定边 界移动并进行重构；

步骤S6，如图6所示，根据环境温度、风速大小因素，分析环境因素对输 电线路覆冰形态的影响。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术 人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡 本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推 理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范 围内。