陳廣思，牛一博，席 云

(吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 吉首 416000)

在電氣化鐵路中，周圍流速和靜電容易讓污穢顆粒物停留在絕緣子表面，從而降低絕緣子的電氣絕緣性能.研究表明，污閃尤其是絕緣子污閃，會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1-2].污閃的發(fā)生是有一些必要條件的，積污就是條件之一，因此解決積污問題的意義重大.有學(xué)者指出周圍流速和顆粒大小與積污有關(guān)[3-6]，還有學(xué)者指出可以通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究絕緣子積污過程[7-10].為了厘清周圍流速和電壓與絕緣子積污質(zhì)量的關(guān)系，筆者擬采用風(fēng)洞模型，并結(jié)合COMSOL Multiphysics軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，具體是應(yīng)用電場(chǎng)模塊和流體力學(xué)模塊，將這2個(gè)模塊同時(shí)添加到仿真過程中.

1 數(shù)值模擬風(fēng)洞試驗(yàn)的控制方程

1.1 電場(chǎng)的控制方程

唐秋明等[2]采用靜電場(chǎng)研究顆粒在絕緣子表面的吸附過程，獲得了不錯(cuò)的效果，故靜電場(chǎng)為首選.靜電場(chǎng)方程為

其中：D為電位移強(qiáng)度；ρv為體電荷密度；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；V為電勢(shì).

1.2 風(fēng)沙流場(chǎng)的控制方程

風(fēng)沙流場(chǎng)中既有氣流也有顆粒，是氣固兩相流體，因此結(jié)合連續(xù)方程和動(dòng)量方程對(duì)氣流相進(jìn)行數(shù)值模擬，可獲得更好的效果.控制方程用來模擬顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過湍流場(chǎng)分析絕緣子的氣流.連續(xù)方程和動(dòng)量方程分別為

其中：ux，uy，uz分別為氣流相流體在x，y，z軸方向上的速度矢量；ρ為氣流相流體密度；μ為氣流相的流體動(dòng)力粘度；μT為氣流相的湍流脈動(dòng)附加動(dòng)力粘度；p為氣流相流體單元受到的壓力；I為主應(yīng)力張量.

絕緣子表面有許多氣流，這些周圍氣流產(chǎn)生的流線很容易受絕緣子的影響，因此在仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)用RNGκ-ε模型進(jìn)行模擬可以獲得更好的模擬效果.湍流方程為

2 風(fēng)洞試驗(yàn)的模擬方法

2.1 簡(jiǎn)化處理與網(wǎng)格剖分

傘裙的積污主要覆蓋在表面，這部分是主要研究?jī)?nèi)容，其他部分可以簡(jiǎn)化.絕緣子分塊示意如圖1所示.仿真實(shí)驗(yàn)采用的模型如圖2所示.

圖1 絕緣子分塊示意

圖2 風(fēng)洞模型及網(wǎng)格剖分

2.2 邊界條件的設(shè)定

仿真實(shí)驗(yàn)中所使用的流體力學(xué)模塊、電場(chǎng)模塊，都需要為了某種特定的仿真環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行設(shè)定.

3 仿真實(shí)驗(yàn)

絕緣子表面的周圍流速較大時(shí)，電壓與積污質(zhì)量幾乎是不相關(guān)的，即沒有影響；絕緣子表面的周圍流速較小時(shí)，靜電與積污質(zhì)量的關(guān)聯(lián)度較強(qiáng)[7].為了進(jìn)一步厘清周圍流速和電壓與積污質(zhì)量之間的關(guān)系，筆者進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn).風(fēng)速的取值一般小于40 m/s[9]，周圍流速取3，30 m/s.周圍流速為3 m/s的各電壓下的仿真工況如圖3所示，各電壓下的積污質(zhì)量的變化趨勢(shì)如圖4所示；周圍流速為30 m/s的各電壓下的仿真工況如圖5所示，各電壓下的積污質(zhì)量的變化趨勢(shì)如圖6所示.

圖3 v=3 m/s，各電壓下的仿真結(jié)果

圖4 v=3 m/s，各電壓下的積污質(zhì)量的變化趨勢(shì)

圖5 v=30 m/s，各電壓下的仿真結(jié)果

圖6 v=30 m/s，各電壓下的積污質(zhì)量的變化趨勢(shì)

由圖3和圖4可見，周圍流速為3 m/s時(shí)，電壓增大，絕緣子表面的顆粒增多(即積污增多)，積污質(zhì)量增加.由圖5和圖6可見，周圍流速為30 m/s時(shí)，電壓增大，絕緣子表面的顆粒沒有任何改變(即積污沒有任何改變)，積污質(zhì)量也沒有任何改變.

4 結(jié)語

基于流體力學(xué)原理和電場(chǎng)理論建立了絕緣子風(fēng)洞模型，并利用仿真實(shí)驗(yàn)分析了周圍流速和電壓與積污質(zhì)量之間的關(guān)系，得到以下結(jié)論：

(1)絕緣子表面的周圍流速較小時(shí)，電場(chǎng)力增大，沙粒會(huì)更容易與表面發(fā)生碰撞進(jìn)而吸附在表面，所以絕緣子兩端的電壓增大，會(huì)導(dǎo)致積污質(zhì)量增加；周圍流速較大時(shí)，即使電壓增大，積污質(zhì)量也不會(huì)發(fā)生太大的變化.

(2)結(jié)合靜電場(chǎng)和流體力學(xué)場(chǎng)共同作用來模擬風(fēng)洞試驗(yàn)，仿真結(jié)果與實(shí)際風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果基本相符；相較于用單一流體力學(xué)場(chǎng)進(jìn)行仿真，兩者結(jié)合更符合沙粒的實(shí)際受力情況，得到的絕緣子積污特性更準(zhǔn)確.

電壓較低、風(fēng)速較小時(shí)，絕緣子表面更不容易積累污穢，這可以為絕緣子表面?zhèn)闳沟那鍜?，以及在電壓不同時(shí)如何提高絕緣子的部分性能(如防污性能等)提供進(jìn)一步的理論依據(jù).