一種輸電導(dǎo)線大電流融冰的數(shù)值模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種輸電導(dǎo)線大電流融冰數(shù)值模擬方法，建立輸電導(dǎo)線、冰區(qū)和空氣場(chǎng)的二維融冰計(jì)算模型，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行三角形網(wǎng)格劃分，冰區(qū)三角形網(wǎng)格最長(zhǎng)邊的長(zhǎng)度不大于0.3mm，計(jì)算得到冰區(qū)的實(shí)時(shí)溫度T，利用該實(shí)時(shí)溫度T計(jì)算輸電導(dǎo)線冰區(qū)覆冰單元的相變率β，應(yīng)用UDF設(shè)置動(dòng)網(wǎng)格開展融冰計(jì)算，提取輸電導(dǎo)線邊界冰區(qū)覆冰單元的相變率，當(dāng)相變率大于0.999時(shí)，將輸電導(dǎo)線邊界移動(dòng)到該覆冰單元，整個(gè)計(jì)算直至導(dǎo)線邊界移動(dòng)距離大于等于覆冰厚度時(shí)停止。本發(fā)明可以很好的捕捉由于融冰引起的界面運(yùn)動(dòng)和變形位置，能獲得準(zhǔn)確的溫度場(chǎng)和冰水的體積變化過(guò)程，計(jì)算導(dǎo)線融冰中環(huán)境溫度、風(fēng)速、冰厚、融冰電流和時(shí)間的關(guān)系，得到導(dǎo)線融冰特性曲線。
【專利說(shuō)明】一種輸電導(dǎo)線大電流融冰的數(shù)值模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)輔助工程分析方法，特別是一種輸電導(dǎo)線大電流融冰的數(shù)值模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002]輸電線路覆冰是電力系統(tǒng)的自然災(zāi)害之一。由于導(dǎo)線上增加了冰載荷，對(duì)線、鐵塔和金具都會(huì)帶來(lái)一定的機(jī)械損壞，覆冰嚴(yán)重時(shí)會(huì)斷線、倒桿塔，導(dǎo)致大面積停電事故。目前國(guó)內(nèi)外提出的防冰除冰方法約有30余種，分為熱力融冰、機(jī)械除冰和自然脫冰等幾類，其中熱力融冰得到廣泛的應(yīng)用。融冰技術(shù)是利用大電流在導(dǎo)線上產(chǎn)生的熱效應(yīng)融化線路覆冰的技術(shù)。融冰具有高效、大面積的清除導(dǎo)線覆冰的特點(diǎn)。
[0003]大電流融冰基本原理就是將電能轉(zhuǎn)化為熱能融冰。冰的融化是一個(gè)伴隨著相變、導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射同時(shí)存在的復(fù)雜傳熱過(guò)程。在融冰過(guò)程中，在冰區(qū)內(nèi)部為相變?nèi)诨?、熱傳?dǎo)過(guò)程；而在冰區(qū)外部為對(duì)流、輻射散熱過(guò)程。在輸電線路的融冰過(guò)程中，融冰電流和時(shí)間的選取是關(guān)鍵。針對(duì)不同規(guī)格導(dǎo)線、環(huán)境溫度和風(fēng)速，確定融冰電流和融冰時(shí)間，計(jì)算融冰特性曲線能有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施融冰。
[0004]計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,簡(jiǎn)稱CFD)是通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。CFD的基本思想可以歸結(jié)為:把原來(lái)在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來(lái)代替，通過(guò)一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上變量之間的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似值。CFD可以看作是在流動(dòng)基本方程(質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程)控制下對(duì)流動(dòng)的數(shù)值模擬。通過(guò)這種數(shù)值模擬，可以得到及其復(fù)雜問(wèn)題的流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置上的基本物理量(如速度、壓力、溫度、濃度等)的分布，以及這些物理量隨時(shí)間的變化情況，確定漩渦分布特性、空化特性及脫渦區(qū)等。
[0005]Fluent是由美國(guó)FLUENT公司于1983年推出的CFD軟件，是目前處于世界領(lǐng)先地位的CFD軟件之一，廣泛用于模擬各種流體流動(dòng)、傳熱、燃燒和污染物運(yùn)移等問(wèn)題。動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)就是為了適應(yīng)計(jì)算區(qū)域的變化新發(fā)展出來(lái)的網(wǎng)格技術(shù)，它是通過(guò)拉伸、壓縮網(wǎng)格或者增加、減少網(wǎng)格以及局部生成網(wǎng)格來(lái)適應(yīng)計(jì)算區(qū)域的改變。
[0006]應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)導(dǎo)線大電流融冰過(guò)程進(jìn)行計(jì)算模擬，可以掌握融冰過(guò)程中的熱交換過(guò)程以及相變過(guò)程，可以獲取準(zhǔn)確的融冰特性曲線。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種輸電導(dǎo)線大電流融冰的數(shù)值模擬方法，捕捉由于融冰引起的界面運(yùn)動(dòng)和變形位置，獲得準(zhǔn)確的溫度場(chǎng)和冰水的相變率變化過(guò)程，確定導(dǎo)線融冰中冰區(qū)的實(shí)時(shí)溫度和融冰的時(shí)間。
[0008]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種輸電導(dǎo)線大電流融冰的數(shù)值模擬方法，該方法為:
[0009]I)建立輸電導(dǎo)線、冰區(qū)和空氣場(chǎng)的融冰計(jì)算模型:設(shè)定冰區(qū)為固相區(qū)，設(shè)定空氣場(chǎng)為液相區(qū)；所述冰區(qū)截面為同心圓環(huán)，所述同心圓環(huán)內(nèi)環(huán)對(duì)應(yīng)輸電導(dǎo)線，所述同心圓環(huán)外為空氣場(chǎng)；所述空氣場(chǎng)寬度為輸電導(dǎo)線直徑的20倍，所述空氣場(chǎng)長(zhǎng)度為輸電導(dǎo)線直徑的60倍，輸電導(dǎo)線截面中心在所述空氣場(chǎng)長(zhǎng)度中心線的1/5處；
[0010]2)將所述冰區(qū)和空氣場(chǎng)劃分為若干個(gè)三角形網(wǎng)格，其中所述冰區(qū)的三角形網(wǎng)格最長(zhǎng)邊的長(zhǎng)度不大于0.3mm，所述空氣場(chǎng)三角形網(wǎng)格最長(zhǎng)邊的長(zhǎng)度為所述冰區(qū)三角形網(wǎng)格最長(zhǎng)邊長(zhǎng)度的8~10倍；
[0011]3)在Fluent軟件中初始化融冰計(jì)算模型:將所述空氣場(chǎng)的上、下邊設(shè)置為壁面，將所述空氣場(chǎng)左邊設(shè)置為速度進(jìn)口，右邊設(shè)置為壓力出口，并為所述輸電導(dǎo)線邊界施加熱流密度，將所述空氣場(chǎng)環(huán)境溫度設(shè)置為空氣場(chǎng)和冰區(qū)的初始溫度；
[0012]4) Fluent軟件計(jì)算得到冰區(qū)的實(shí)時(shí)溫度T，利用該實(shí)時(shí)溫度T計(jì)算輸電導(dǎo)線冰區(qū)覆冰單元的相變率β ;
[0013]5 )通過(guò)Fluent軟件的UDF函數(shù)設(shè)置動(dòng)網(wǎng)格進(jìn)行融冰計(jì)算:依次提取輸電導(dǎo)線邊界冰區(qū)覆冰單元的相變率，當(dāng)所述相變率大于0.999時(shí)，獲取所述覆冰單元在豎直方向的長(zhǎng)度值yl，將所述輸電導(dǎo)線邊界在豎直方向上移動(dòng)一個(gè)覆冰單元的長(zhǎng)度yl，然后利用Fluent軟件對(duì)輸電導(dǎo)線周圍的冰區(qū)三角形網(wǎng)格進(jìn)行局部網(wǎng)格重組，以獲得符合要求的網(wǎng)格；當(dāng)三角形網(wǎng)格最長(zhǎng)邊的長(zhǎng)度不大于0.3mm，且網(wǎng)格不存在畸變時(shí)，三角形網(wǎng)格符合要求；
[0014]6)將步驟4)計(jì)算得到的實(shí)時(shí)溫度T作為空氣場(chǎng)和冰區(qū)的初始溫度，重復(fù)步驟4)~步驟5)，直到當(dāng)導(dǎo)線邊界移動(dòng)距離大于等于所述冰區(qū)厚度時(shí)停止計(jì)算，完成融冰計(jì)算；
[0015] 7)Fluent軟件輸出融冰時(shí)間，所述融冰時(shí)間即為第一次計(jì)算實(shí)時(shí)溫度T開始的時(shí)間到融冰完成的時(shí)間。
[0016]所述步驟4)中，冰區(qū)覆冰單元的相變率β的計(jì)算公式為:
【權(quán)利要求】
1.一種輸電導(dǎo)線大電流融冰的數(shù)值模擬方法，其特征在于，該方法為: 1)建立輸電導(dǎo)線、冰區(qū)和空氣場(chǎng)的融冰計(jì)算模型:設(shè)定冰區(qū)為固相區(qū)，設(shè)定空氣場(chǎng)為液相區(qū)；所述冰區(qū)截面為同心圓環(huán)，所述同心圓環(huán)內(nèi)環(huán)對(duì)應(yīng)輸電導(dǎo)線，所述同心圓環(huán)外為空氣場(chǎng)；所述空氣場(chǎng)寬度為輸電導(dǎo)線直徑的20倍,所述空氣場(chǎng)長(zhǎng)度為輸電導(dǎo)線直徑的60倍,輸電導(dǎo)線截面中心在所述空氣場(chǎng)長(zhǎng)度中心線的1/5處； 2)將所述冰區(qū)和空氣場(chǎng)劃分為若干個(gè)三角形網(wǎng)格，其中所述冰區(qū)的三角形網(wǎng)格最長(zhǎng)邊的長(zhǎng)度不大于0.3mm，所述空氣場(chǎng)三角形網(wǎng)格最長(zhǎng)邊的長(zhǎng)度為所述冰區(qū)三角形網(wǎng)格最長(zhǎng)邊長(zhǎng)度的8~10倍； 3)在Fluent軟件中初始化融冰計(jì)算模型:將所述空氣場(chǎng)的上、下邊設(shè)置為壁面，將所述空氣場(chǎng)左邊設(shè)置為速度進(jìn)口，右邊設(shè)置為壓力出口，并為所述輸電導(dǎo)線邊界施加熱流密度，將所述空氣場(chǎng)環(huán)境溫度設(shè)置為空氣場(chǎng)和冰區(qū)的初始溫度； 4)Fluent軟件計(jì)算得到冰區(qū)的實(shí)時(shí)溫度T，利用該實(shí)時(shí)溫度T計(jì)算輸電導(dǎo)線冰區(qū)覆冰單元的相變率β ; 5)通過(guò)Fluent軟件的UDF函數(shù)設(shè)置動(dòng)網(wǎng)格進(jìn)行融冰計(jì)算:依次提取輸電導(dǎo)線邊界冰區(qū)覆冰單元的相變率，當(dāng)所述相變率大于0.999時(shí)，獲取所述覆冰單元在豎直方向的長(zhǎng)度值yl，將所述輸電導(dǎo)線邊界在豎直方向上移動(dòng)一個(gè)覆冰單元的長(zhǎng)度yl，然后利用Fluent軟件對(duì)輸電導(dǎo)線周圍的冰區(qū)三角形網(wǎng)格進(jìn)行局部網(wǎng)格重組，以獲得符合要求的網(wǎng)格；當(dāng)三角形網(wǎng)格最長(zhǎng)邊的長(zhǎng)度不大于0.3mm,且網(wǎng)格不存在畸變時(shí),三角形網(wǎng)格符合要求； 6)將步驟4)計(jì)算得到的實(shí)時(shí)溫度T作為空氣場(chǎng)和冰區(qū)的初始溫度，重復(fù)步驟4)~步驟5)，直到當(dāng)導(dǎo)線邊界移動(dòng)距離大于等于所述冰區(qū)厚度時(shí)停止計(jì)算，完成融冰計(jì)算； 7)Fluent軟件輸出融冰時(shí)間，所述融冰時(shí)間即為第一次計(jì)算實(shí)時(shí)溫度T開始的時(shí)間到融冰完成的時(shí)間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸電導(dǎo)線大電流融冰的數(shù)值模擬方法，其特征在于，所述步驟4)中，冰區(qū)覆冰單元的相變率β的計(jì)算公式為:
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103729524SQ201410035343
【公開日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月24日
【發(fā)明者】劉純, 陸佳政, 蔣正龍, 陳紅冬 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司, 國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院