蔣正龍，趙純，孫利朋，胡建平，吳偉，王博聞

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司防災(zāi)減災(zāi)中心，國網(wǎng)輸變電設(shè)備防冰減災(zāi)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙410000；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

覆冰實(shí)驗(yàn)均勻風(fēng)場形成方法研究

蔣正龍1，趙純1，孫利朋2，胡建平1，吳偉1，王博聞1

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司防災(zāi)減災(zāi)中心，國網(wǎng)輸變電設(shè)備防冰減災(zāi)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙410000；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

本文基于自由射流理論，介紹了在氣候人工模擬室試驗(yàn)設(shè)備表面形成均勻風(fēng)的實(shí)現(xiàn)方法，通過吹風(fēng)、吹—吸風(fēng)和吸風(fēng)3種方式的仿真計(jì)算以及冰風(fēng)洞縮比試驗(yàn)，建成了一種帶低能耗冰風(fēng)洞氣候人工模擬室并實(shí)測了試驗(yàn)區(qū)風(fēng)速大小及均勻性，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)區(qū)風(fēng)速在0～10 m/s可以自由調(diào)節(jié)，風(fēng)速穩(wěn)定，試驗(yàn)區(qū)各點(diǎn)差異小，能耗低，對氣候人工模擬室內(nèi)低溫環(huán)境無影響，滿足輸變電設(shè)備表面覆冰試驗(yàn)對風(fēng)的要求，為研究風(fēng)對輸變電設(shè)備表面覆冰的影響及覆冰增長規(guī)律提供了技術(shù)支持平臺。

冰風(fēng)洞；風(fēng)速；氣候人工模擬室；自由射流理論；覆冰

中等程度及以上的雨雪冰凍是輸電工程中十分嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，設(shè)備表面覆冰事故極大地危害著電網(wǎng)運(yùn)行安全〔1－7〕。為研究覆冰災(zāi)害對電網(wǎng)的影響，目前部分國家建立了輸變電設(shè)備氣候人工模擬室，并進(jìn)行了大量試驗(yàn)、獲得了大量的人工覆冰數(shù)據(jù)〔7－10〕，加快了覆冰研究的進(jìn)程，為覆冰災(zāi)害研究和電網(wǎng)防冰減災(zāi)提供了技術(shù)支持。自然雨雪冰凍環(huán)境條件下輸變電設(shè)備表面覆冰與環(huán)境風(fēng)速有關(guān)〔2，11－13，18〕，但在氣候人工模擬室內(nèi)被試設(shè)備表面形成均勻風(fēng)覆冰難度較大，目前的電網(wǎng)人工覆冰研究是在無風(fēng)的條件下進(jìn)行的，國內(nèi)外已有的研究表明〔14－21〕:形成的覆冰形態(tài)與自然界線路覆冰有一定的差異。這也是人工覆冰和自然覆冰之間的主要區(qū)別之一，同時(shí)風(fēng)對覆冰增長機(jī)理的研究還處在理論研究階段，沒有進(jìn)行有效的試驗(yàn)驗(yàn)證和量化研究。

本文基于自由射流理論，結(jié)合氣候人工模擬室建立了冰風(fēng)洞仿真模型，仿真分析了吹風(fēng)、吸風(fēng)和吹—吸風(fēng)3種模式下的試驗(yàn)區(qū)風(fēng)速分布情況，通過縮比搭建了氣候人工模擬室縮比風(fēng)洞并進(jìn)行模擬測試，對仿真結(jié)果的吹風(fēng)方式進(jìn)行了的實(shí)測驗(yàn)證，同時(shí)通過風(fēng)機(jī)參數(shù)選擇和風(fēng)管內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式進(jìn)行了研究和試驗(yàn)論證，根據(jù)研究成果建成了帶冰風(fēng)洞的氣候人工模擬室，對室內(nèi)試驗(yàn)區(qū)風(fēng)速和溫度的大小、均勻性和穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)測，性能滿足人工覆冰試驗(yàn)要求，具備開展風(fēng)對覆冰、融冰研究的能力。

1 具有冰風(fēng)洞的氣候人工模擬室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)目前對自然覆冰的研究〔10－18〕來看，自然覆冰的風(fēng)速一般不會很大，覆冰易增長的主要風(fēng)速分布區(qū)間為3～7 m/s，過小的風(fēng)速影響極小，過大的風(fēng)速反而不易引起設(shè)備表面覆冰，因此在氣候人工模擬室內(nèi)建立低速冰風(fēng)洞，其風(fēng)速主要區(qū)間應(yīng)是3～7 m/s。

國家電網(wǎng)公司輸變電設(shè)備防冰減災(zāi)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的具有低速冰風(fēng)洞氣候人工模擬室凈空尺寸為17.5 m(長)×9.5 m(寬)×8.6 m(高)，如圖1所示，墻面為鋼筋水泥結(jié)構(gòu)，采用內(nèi)保溫方式，六面保溫層厚度均為15 mm，室內(nèi)由試驗(yàn)區(qū)、冰風(fēng)洞兩部分組成，風(fēng)在冰風(fēng)洞內(nèi)循環(huán)流動，循環(huán)方式為:風(fēng)從風(fēng)機(jī)吹出，經(jīng)風(fēng)管中的導(dǎo)流板和阻尼網(wǎng)轉(zhuǎn)向并均勻處理后，進(jìn)入設(shè)備試驗(yàn)區(qū)，再經(jīng)回風(fēng)口轉(zhuǎn)向后回到冰風(fēng)洞的熱交換區(qū)，通過熱交換區(qū)再回到風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)的循環(huán)。制冷設(shè)備的熱交換器安置在冰風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行熱量交換，風(fēng)機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生的熱能、風(fēng)循環(huán)時(shí)冰風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)阻產(chǎn)生的熱量通過熱交換器帶走，保持室內(nèi)溫度均勻穩(wěn)定。其中設(shè)備試驗(yàn)區(qū)的凈空尺寸是4.5 m(長)×4.5 m(寬)×6.5 m (高)，設(shè)備試驗(yàn)區(qū)上部設(shè)置1.5 m高靜壓層并在該層內(nèi)安裝滿足3 t重物懸掛的電動懸掛裝置，可以滿足220 kV及以下電壓等級被試品和更高電壓等級短樣被試品的試驗(yàn)需求，最大風(fēng)速超過10 m/s。實(shí)現(xiàn)了在懸式絕緣子的試驗(yàn)區(qū)(離地高度3.5 m，以試驗(yàn)區(qū)中心軸為中心的1.5 m(長)×1.5 m(寬)× 2.5 m(高)區(qū)域的柱體)形成在3～7 m/s內(nèi)可自由調(diào)節(jié)，且穩(wěn)定度為±0.5 m/s，均勻度為±0.5 m/s的均勻風(fēng)速場，風(fēng)口距離絕緣子懸掛點(diǎn)不小于1.5 m。

圖1 帶冰風(fēng)洞氣候人工模擬室平面布置圖

2 冰風(fēng)洞的數(shù)值仿真計(jì)算

2.1 模型的原理

根據(jù)自由射流理論，空氣從噴口處射流出后，會形成射流核心區(qū)和混合區(qū)，核心區(qū)內(nèi)流體流動速度與出口速度基本一致，但隨著射流距離的增大，核心區(qū)逐漸收縮，直至完全消失，而混合區(qū)則是收到包圍在核心區(qū)外面的一部分流體與外界流體作用，導(dǎo)致速度降低，而形成的一個(gè)區(qū)域，該區(qū)域隨射流距離的增大而呈擴(kuò)大趨勢，且速度呈遞減趨勢，直至與外界空氣速度基本相等。因此為保證試驗(yàn)區(qū)的風(fēng)速均勻穩(wěn)定，必須使試驗(yàn)區(qū)處于自由射流的核心區(qū)。射流分布方式如圖2所示。

圖2 射流結(jié)構(gòu)分布圖

2.2 模型建立

本風(fēng)洞設(shè)計(jì)的最大風(fēng)速是10 m/s，模型的計(jì)算按最大風(fēng)速來核實(shí)。為了獲得有效、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，分別針對吹風(fēng)、吸風(fēng)以及吹—吸風(fēng)3種典型的方案進(jìn)行數(shù)值模擬，考察其中心試驗(yàn)區(qū)的風(fēng)速大小和均勻性。與圖1中的吹風(fēng)方式相比，吸風(fēng)方式去掉了吹風(fēng)機(jī)和風(fēng)管，而在回風(fēng)口處增加1臺吸風(fēng)機(jī)；吹—吸風(fēng)方式在回風(fēng)口處增加1臺吸風(fēng)機(jī)。在模型計(jì)算中，假設(shè):

①由于空氣經(jīng)過風(fēng)機(jī)、阻尼網(wǎng)、風(fēng)管后以均勻的風(fēng)速進(jìn)行送風(fēng)，因此在數(shù)值模擬的邊界條件選取時(shí)，直接將風(fēng)管出風(fēng)口作為速度入口，不考慮空氣進(jìn)入出風(fēng)口前的風(fēng)速變化過程，其中出風(fēng)口為2.0 m (寬)×3.0 m(高)的長方形；

②回風(fēng)口出口為3.5 m(寬)×6.0 m(高)的長方形，外部導(dǎo)流板對試驗(yàn)區(qū)的風(fēng)速影響不大，因此在計(jì)算過程中未考慮。

為減少計(jì)算量，文中采用二維直角坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

①連續(xù)性方程:

運(yùn)動方程:

②狀態(tài)方程:

由于模型中的風(fēng)速風(fēng)量較大，采用k－ε湍流模型。

湍動能k方程:

③耗散率ε方程:

④邊界條件:將送風(fēng)口按速度界面處理，其他邊界設(shè)置為墻。

2.3 仿真計(jì)算結(jié)果及分析

3種工況下的仿真計(jì)算結(jié)果如圖3所示。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，在吸風(fēng)方式下，中間試驗(yàn)區(qū)的風(fēng)速很低，如果要在試驗(yàn)區(qū)達(dá)到設(shè)計(jì)風(fēng)速要求，則要求吸風(fēng)機(jī)提供很大的風(fēng)速，相應(yīng)的功率和能耗大，給制冷系統(tǒng)和室內(nèi)溫度均勻性帶來不良影響，很不經(jīng)濟(jì)，因此吸風(fēng)方式是較差的一種實(shí)現(xiàn)方式。

圖3 各種工況下的速度場分布圖

圖4為吹風(fēng)和吹—吸風(fēng)方式下的風(fēng)速等值線，吹風(fēng)方式和吹—吸風(fēng)方式在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)均能達(dá)到設(shè)計(jì)風(fēng)速的要求，且在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)吹風(fēng)方式與吹—吸風(fēng)形式的風(fēng)速分布基本相近，其中，吹—吸風(fēng)形式對于流場的均勻性相比吹風(fēng)形式是有一定程度的改善，但是改善的并不是中心區(qū)域的流場而是中心區(qū)域外的流場，對試驗(yàn)區(qū)風(fēng)速的改善效果并不明顯，其經(jīng)濟(jì)性相對較差。因此，綜合仿真計(jì)算的結(jié)果來看，應(yīng)采用吹風(fēng)的方式。

圖4 兩種方式下的風(fēng)速等值線

3 風(fēng)速均勻性縮比試驗(yàn)驗(yàn)證

通過仿真計(jì)算來看，吹風(fēng)方式下的風(fēng)速均勻性較好，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，為進(jìn)一步驗(yàn)證吹風(fēng)方式的可行性，并對風(fēng)機(jī)選型和風(fēng)洞內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，搭建了風(fēng)洞的縮比試驗(yàn)平臺，在風(fēng)洞的高度和寬度進(jìn)行了1∶3的縮比，長度保持不變。選用型號為RDK8.3A的離心風(fēng)機(jī)，風(fēng)量為30 000 m3/h，全壓為978.6 Pa，功率為15 kW。風(fēng)速測量采用了型號為WD4110的皮托管式風(fēng)速傳感器，量程為0～30 m/s，測量精度為0.2%。在風(fēng)洞中設(shè)置單層和雙層阻尼網(wǎng)進(jìn)行對比試驗(yàn)。

在設(shè)備試驗(yàn)區(qū)距出風(fēng)口0m，1m，2m和3m的中心軸線處分別安裝了4個(gè)風(fēng)速傳感器，每間隔30 s采集一次數(shù)據(jù)，在3 m/s基準(zhǔn)風(fēng)速下單層阻尼網(wǎng)和雙層阻尼網(wǎng)各測量點(diǎn)的風(fēng)速見圖5。

對比圖5可知:①在同一測量點(diǎn)，雙層阻尼網(wǎng)與單層阻尼網(wǎng)的平均風(fēng)速差異小，但雙層阻尼網(wǎng)的穩(wěn)定性好；②7 min后試驗(yàn)區(qū)風(fēng)速區(qū)域穩(wěn)定，雙層阻尼網(wǎng)風(fēng)速波動幅度小于0.4 m/s；③在同一時(shí)間點(diǎn)，距離風(fēng)口不同距離點(diǎn)的風(fēng)速差異小，試驗(yàn)區(qū)風(fēng)向方向風(fēng)速衰減小，對直徑不大于0.5 m的絕緣子，可以認(rèn)為處在風(fēng)向風(fēng)速一致的風(fēng)場中?？s比試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果基本是一致，可以滿足人工覆冰試驗(yàn)區(qū)內(nèi)風(fēng)速均勻性的要求。

圖5 不同測點(diǎn)風(fēng)速測量

4 氣候人工模擬室風(fēng)速測試及分析

根據(jù)仿真和縮比試驗(yàn)建設(shè)了帶冰風(fēng)洞的氣候人工模擬室，實(shí)測了試驗(yàn)區(qū)的風(fēng)速均勻性，選取風(fēng)速為7 m/s時(shí)實(shí)測風(fēng)速變化情況，見圖6，試驗(yàn)區(qū)風(fēng)向方向風(fēng)速變化小，當(dāng)風(fēng)速基本穩(wěn)定后，對直徑為0.5 m的被試品，風(fēng)向方向誤差小于0.5 m/s。

圖6 各實(shí)測風(fēng)速變化情況

在絕緣子懸掛處前(距風(fēng)口2.0 m處)，與風(fēng)向垂直截面絕緣子懸掛上下左右選取5個(gè)點(diǎn)安裝風(fēng)速測試儀，見圖7，啟動風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)速到一個(gè)定值，3 min和6 min時(shí)各測點(diǎn)分速數(shù)據(jù)見表1。

表1 絕緣子懸掛處截面風(fēng)速測試數(shù)據(jù)m/s

圖7 測點(diǎn)位置分布圖

在試品同一風(fēng)向截面的不同位置，風(fēng)速差異小，6 min后風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.10 m/s。

5 試驗(yàn)區(qū)溫度變化

采用上送下回的方式將冷風(fēng)從試驗(yàn)區(qū)上部注入試驗(yàn)區(qū)，從下部回風(fēng)口匯入熱交換區(qū)冷卻，采用Fluent對試驗(yàn)區(qū)溫度進(jìn)行了仿真計(jì)算，仿真模型如圖8所示。設(shè)定邊界條件為:外部環(huán)境溫度為35℃，從上到下運(yùn)動的冷風(fēng)速度為1.0 m/s，當(dāng)制冷機(jī)組將室內(nèi)溫度降低到－15℃，懸掛長2.2 m，傘徑300 mm棒形絕緣子，并施加130 kV電壓，絕緣子表面均勻發(fā)熱，熱源按照440 W計(jì)算，離心風(fēng)機(jī)型號為KF3－95N016.OEZ的最大功率為90 kW，壓縮機(jī)采用LSB720DZ雙頭螺桿壓縮機(jī)，冰風(fēng)洞內(nèi)用于熱交換設(shè)備為3臺HLD－150/1140型制冷風(fēng)機(jī)，無風(fēng)時(shí)仿真結(jié)果見圖9，室內(nèi)溫度穩(wěn)定均勻，絕緣子表面溫度略高，實(shí)測無風(fēng)和3 m/s風(fēng)速時(shí)數(shù)據(jù)見表2，風(fēng)將導(dǎo)致室內(nèi)空氣流動、溫度更為穩(wěn)定。

圖8 試驗(yàn)區(qū)溫度分布仿真模型

圖9 試驗(yàn)區(qū)溫度分布圖

表2 試驗(yàn)區(qū)溫度穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

1)冰風(fēng)洞內(nèi)采用吹風(fēng)方式，風(fēng)速均勻性和穩(wěn)定性好；在風(fēng)管中增加阻尼網(wǎng)數(shù)量，可以提高風(fēng)速的穩(wěn)定性，采用雙層阻尼網(wǎng)，可以滿足試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的風(fēng)速均勻性和穩(wěn)定性的要求。

2)風(fēng)對室內(nèi)溫度的均勻穩(wěn)定性有正面影響。

3)風(fēng)對電力設(shè)備表面覆冰速度有極大影響，提出的在氣候室內(nèi)建設(shè)冰風(fēng)洞的方法，能為人工覆冰試驗(yàn)時(shí)在設(shè)備表面形成均勻穩(wěn)定的風(fēng)速場，通過該實(shí)驗(yàn)平臺可以深入研究風(fēng)對輸變電設(shè)備表面覆冰增長規(guī)律、導(dǎo)線融冰電流和時(shí)間的影響。

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Study on the uniform wind field formation method in icing experiments

JIANG Zhenglong1，ZHAO Chun1，SUN Lipeng2，HU Jianping1，WU Wei1，WANG Bowen1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Disaster Prevention and Reduction Center，State Grid Key Laboratory of Power Transmission and Distribution Equipment Anti-icing＆Reducing-disaster Technology，Changsha 410000，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

In this paper，a uniform wind speed formation method of test equipment surface in artificial climate chamber is introduced based on free jet theory.An artificial climate chamber with low energy consumption icing wind tunnel is established by scaling test in the icing wind tunnel and wind speed simulation and calculation in three ways of blowing wind，blowingabsorbing wind and absorbing wind，an artificial climate chamber with low energy consumption icing wind tunnel is established，and then values and uniformities of wind speed in the test area are measured.The results show that the wind speed can adjust freely in 0～10 m/s，in different test points are stable and have smaller differences.Also，the icing wind tunnel has characteristics of low energy consumption and has no influence on the low-temperature environment of artificial climate chamber. In summary，the uniform wind speed formation method satisfies the requirement for wind speed in surface icing experiments of power transmission equipment，and the icing wind tunnel provides a technical support platform for researching influences of wind speed on surface icing of power transmission equipment and ice accretion rules.

icing wind tunnel；wind speed；artificial climate chamber；free jet theory；ice accretion

TM75

B

1008-0198(2016)05-0001-06

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.05.001

蔣正龍(1968)，男，高工，主要從事高電壓技術(shù)及輸變電設(shè)備防冰減災(zāi)技術(shù)的研究和生產(chǎn)工作。

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(SGKJ[2007]871)

2016-02-02 改回日期:2016-03-16