摘要：輸電線路覆冰積雪嚴重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行.目前的研究重點關(guān)注絕緣子覆雪放電發(fā)展過程及閃絡(luò)特性.由于絕緣子結(jié)構(gòu)復雜，對覆雪的增長過程缺乏系統(tǒng)的分析.本文基于計算流體力學原理，在不同的環(huán)境參數(shù)條件下，對XP-70絕緣子表面不同位置的雪晶顆粒碰撞特性進行了理論分析和仿真計算，在此基礎(chǔ)上建立了絕緣子三維覆雪數(shù)值計算模型.研究表明，在氣流繞流絕緣子過程中，存在降壓增速和增壓減速兩個相反的過程;絕緣子迎風側(cè)局部碰撞系數(shù)從前駐點處沿鋼帽或傘裙向兩側(cè)逐漸減小，迎風側(cè)傘裙邊緣和鋼帽處的局部碰撞系數(shù)遠遠大于其他位置，最大可達0.74.絕緣子表面的覆雪量隨風速（v）、液態(tài)水含量（LWC）以及顆粒直徑（MVD）等環(huán)境參數(shù)的增大而增大，覆雪量最大可達2.19 kg.經(jīng)仿真和試驗驗證，局部碰撞系數(shù)最大的位置，覆雪最嚴重，而且試驗和模型仿真結(jié)果的誤差小于17%.

關(guān)鍵詞：絕緣子;覆雪;計算流體力學;局部碰撞系數(shù);三維數(shù)值模擬

中圖分類號：TM85文獻標志碼：A

Three-dimensional Numerical Simulation of Snow Accretion on Insulator Based on Principle of Fluid Mechanics

HU Yuyao ZONG Chunyu JIANG Xingliang XIAN Richang GENG Kai DU Qinjun1

（1. School of Electrical and Electronic Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255000，China;

2. State Key Laboratory of Transmission and Distribution Equipment and System Safety and New Technology （Chongqing University），Chongqing 40004 China;

3. Shandong Huineng Electric Co.，Ltd，Zibo 255089，China）

Abstract：Ice and snow accretion on transmission lines seriously threatens the secure and stable operation of the power system. Current research focuses on the discharge development and flashover characteristics of snow-covered insulators. Due to the complexity of the insulator，the growth of snow accumulation remains a lack of systematic analysis. In this paper，based on computational fluid dynamics （CFD），the local impact characteristics of snow particles on XP-70 insulator were simulated and analyzed under different environmental parameters，subsequently，a three-dimensional numerical calculation model was established. The results show that there are two opposite processes during flow around an insulator，namely，the pressure decrease accompanied by the increase of the velocity as well as the increase of the pressure with the decreasing velocity. Local collision coefficient on the windward side of the insulatorgradually decreases along with the steel or the shed from the front stagnation point to both sides. The coefficient at the edge of the shed and the steel cap of the windward side of the insulator is much higher than that of other positions，and the maximum value can reach 0.74. Snow accumulation on the insulator increases with the increase of v，liquid water content （LWC）and median volume diameter （MVD）. Its maximum is 2.19 kg. It is verified by the simulation and test that snow accretion is the heaviest at the location where the local collision coefficient is the largest，and the error between the two is less than 17%.

Key words ：insulator;snow accretion;CFD;local collision coefficient;three-dimensional numerical simulation

由于我國負荷中心和能源中心分布不平衡，為實現(xiàn)大范圍的資源優(yōu)化配置，滿足日益增長的電力需求，建設(shè)了多條特高壓交、直流輸電線路.截至2020年3月，我國已有10條交流、15條直流特高壓輸電線路投入運行.特高壓輸電線路在輸送容量、電能損耗、經(jīng)濟性等方面具有明顯優(yōu)勢，但由于輸送距離遠，不可避免地需要穿過覆冰積雪地區(qū)，絕緣子作為線路的重要設(shè)施，其電氣特性對電力系統(tǒng)的安全起著決定性作用.在正常環(huán)境下，絕緣子的性能能夠滿足線路運行的要求.但在降雪天氣，覆雪將嚴重降低絕緣子的電氣強度[1].

2013年1月，山東濱州地區(qū)突降大雪，積雪橋接了絕緣子迎風側(cè)傘裙，隨著溫度回升，絕緣子發(fā)生多次閃絡(luò).2014年2月，南方地區(qū)迎來降雪天氣，南方電網(wǎng)所轄地區(qū)10 kV和110 kV輸電線路積覆濕雪，發(fā)生雪閃跳閘事故.2015年5月，黑龍江大興安嶺地區(qū)遭遇強降雪，導致66 kV、35 kV以及10 kV輸電線路先后跳閘，部分城區(qū)斷電.2020年11月18日夜間至19日白天，吉林省遭受有氣象記錄以來最強凍雨暴雪大風天氣侵襲，受其影響，吉林長春、四平、松原等地區(qū)電網(wǎng)500 kV、220 kV和10 kV輸電線路分別停運5條、27條和320條，導致50萬余戶居民停電.2021年2月15日，美國得克薩斯州暴發(fā)雪災，眾多天然氣、風能和火力發(fā)電廠因結(jié)冰停運，造成電力供應急劇下降，而為滿足取暖需求用電量卻激增，導致該州超400萬人失去電力供應[2].

絕緣子覆冰積雪降低其電氣性能，關(guān)于覆冰（雪）絕緣子的閃絡(luò)特性及放電發(fā)展過程國內(nèi)外開展了大量的研究[3-8]，但對絕緣子積雪的規(guī)律研究相對匱乏.在寒冷環(huán)境條件下，過冷卻水滴隨氣流運動并與輸電線路等結(jié)構(gòu)物碰撞形成覆冰積雪的過程是一個涉及流體力學、熱力學、電磁學等多學科的復雜問題[9-10].文獻[11]提出用碰撞系數(shù)、捕獲系數(shù)和凍結(jié)系數(shù)分別表征結(jié)構(gòu)物覆冰積雪形成的過冷卻水滴碰撞、捕獲以及凍結(jié)過程.文獻[12]基于流體力學原理，通過數(shù)值求解分別獲取了懸垂絕緣子串的氣流場分布、水滴運動軌跡，進而獲得了過冷卻水滴的整體碰撞系數(shù).文獻[13-14]采用區(qū)域分割方法將絕緣子表面劃分為4個局部區(qū)域，基于Lagrange法，模擬了絕緣子外部氣液兩相流特性，分別計算了各區(qū)域的碰撞系數(shù)，但未得出三維覆冰積雪模型.

現(xiàn)階段針對絕緣子覆雪增長特性及其電氣性能的研究主要有三種方法[15-19]，即現(xiàn)場試驗、人工模擬試驗和數(shù)值模擬.現(xiàn)場試驗能直觀地反映絕緣子覆雪的真實狀態(tài)，可有效地評估絕緣子自然覆雪后的電氣性能，其結(jié)果可直接用于冰雪地區(qū)輸電線路外絕緣的設(shè)計;但缺點是要求試驗場所處于冰區(qū)，而且試驗受氣候條件制約，試驗周期長.人工模擬試驗克服了現(xiàn)場試驗的缺點，試驗環(huán)境參數(shù)可調(diào)且可重復，短期內(nèi)可以獲得大量的試驗數(shù)據(jù)，便于研究絕緣子覆冰積雪的規(guī)律以及電氣性能的變化趨勢，但是人工模擬試驗和現(xiàn)場試驗之間的等效性仍需進一步研究.數(shù)值模擬方法不受試驗設(shè)備、場地及氣候條件的制約，可任意改變環(huán)境條件及絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)，而且能夠真實地再現(xiàn)絕緣子的覆雪過程.

由于絕緣子的外形結(jié)構(gòu)復雜，相同環(huán)境條件下絕緣子表面不同位置的碰撞系數(shù)不一，因此建立絕緣子覆雪三維數(shù)值模擬的關(guān)鍵在于如何獲取雪晶顆粒局部碰撞系數(shù).本文基于CFD原理，采用數(shù)值模擬方法計算得到了XP-70絕緣子表面不同位置的顆粒局部碰撞系數(shù);根據(jù)質(zhì)量平衡和能量守恒方程，建立了絕緣子三維覆雪數(shù)值模型，得到了覆雪量與覆雪形態(tài)隨時間的變化規(guī)律，研究了風速、液態(tài)水含量以及顆粒直徑等參數(shù)對覆雪增長過程的影響，并通過人工氣候室試驗驗證了模型的有效性.本文的研究期望推動絕緣子覆雪由人工或自然試驗研究向數(shù)值模擬研究方向發(fā)展，并為后續(xù)構(gòu)建雪閃模型提供支撐.

1絕緣子及外流場模型建立

本文以XP-70為研究對象，依據(jù)表1的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立了如圖1（a）所示的三維幾何模型，邊界條件設(shè)置如圖1（b），計算域設(shè)定為5 000 mm×3 000 mm×3 000 mm.為避免計算過程中出現(xiàn)出口回流問題，使絕緣子串適當遠離計算域出口.為準確模擬空氣流場在絕緣子表面的熱量傳遞情況，絕緣子表面網(wǎng)格尺寸加密至10^-3m，絕緣子表面邊界層首層網(wǎng)格厚度設(shè)置為10^-6m，并以1.1的增長率向外延伸5層.

2絕緣子外流場特性分析

氣流繞過絕緣子形成繞流的過程中，絕緣子會影響氣流的流動，導致流場中流體質(zhì)點的速度和壓力重新分布.圖2、圖3、圖4分別為絕緣子外流場特性圖、絕緣子表面靜壓分布云圖和絕緣子外流場速度矢量分布圖.

如圖2（a）所示，氣流在遠離絕緣子沿x正方向運動時，其流線是一組均勻分布的平行直線.當氣流靠近絕緣子，受其擾動作用，原本平行的流線開始發(fā)生彎曲，直至氣流繞過絕緣子后，彎曲的流線又恢復為平行狀態(tài).受黏滯性的影響，氣流繞流過程中會在絕緣子表面形成邊界層.當氣流流近前駐點時，因絕緣子的擾動，氣流速度逐漸降低，前駐點處的氣流速度為0，如圖2（b）所示.當氣流從前駐點沿絕緣子表面向兩側(cè)繼續(xù)流動，邊界層隨之發(fā)展變厚.邊界層中的壓力梯度使得在繞流過程中，氣流壓力隨著速度的增大而逐漸降低（圖3），此現(xiàn)象稱為降壓增速流動.但當氣流繞過絕緣子迎風側(cè)后，變成增壓減速流動.氣流向絕緣子背風側(cè)流去時，增壓減速更為嚴重，背風側(cè)速度幾乎為0[圖2（b）].受逆壓梯度的影響，在絕緣子背風側(cè)易形成渦流區(qū)，如圖4所示.

2.1絕緣子周圍兩相流

絕緣子周圍氣流雷諾數(shù)較大且流速低，因此常被視為不可壓縮的湍流流動.空氣攜帶雪晶顆粒在絕緣子表面發(fā)生繞流，從本質(zhì)上可以作為計算流體力學中的兩相流進行處理.歐拉兩相流模型在進行流場計算時，將流場中離散的顆粒視作連續(xù)流體.外流場特性可用如下方程進行表征120-21]：

式中：ρ_a、v_a、T_a和K_a分別是空氣的密度、速度、靜態(tài)溫度和熱導率;σ^ij是應力張量;E_a是總能量;H_a是總熵量;τ_ij是空氣靜態(tài)溫度;t是時間;g是重力加速度.

2.2絕緣子表面局部碰撞系數(shù)

雪晶顆粒相的連續(xù)相和動量方程為[22]：

式中：α_d、V_d和ρ_d分別是雪晶顆粒的體積分數(shù)、速度和密度;C_D、Re_d、Fr和K分別是阻力系數(shù)、雷諾數(shù)、局部弗勞德數(shù)和慣性系數(shù).

式中：R_d是顆粒直徑;v_∞是初始空氣流速;μ_α是空氣運動黏度;L_∞是物體的特征長度;g_∞是重力加速度.

覆雪過程中的雪晶顆粒直徑一般比較小，因此在計算顆粒運動軌跡時做如下假設(shè)：

1）雪晶顆粒在隨氣流流動時外界環(huán)境介質(zhì)參數(shù)恒定，且在繞流過程中不變形、不聚集、不破裂.

2）顆粒的初始運動速度與空氣流速相等，且在繞流過程對空氣流場無擾動作用.

3）除作用在顆粒上的重力和曳力外，其他力較小，可忽略不計.

圖5為絕緣子鋼帽處和傘裙邊緣處的雪晶顆粒運動軌跡.由于氣流的黏性作用，顆粒在遠離絕緣子時其軌跡與流線一致.當顆粒運動到絕緣子附近時，因顆粒的分子質(zhì)量和運動慣性較大，顆粒偏離氣體流線而與絕緣子碰撞.由于絕緣子結(jié)構(gòu)復雜，不同位置處的氣流特性不一，對顆粒的作用力也不一致，進而影響覆雪分布.因此有必要計算雪晶顆粒在絕緣子表面的局部碰撞系數(shù).

雪晶顆粒在風力作用下繞流絕緣子表面，部分顆粒因受到的氣流曳力較小以致無法克服自身慣性作用而與絕緣子表面碰撞.在文獻[11]中，碰撞系數(shù)定義為結(jié)構(gòu)物實際積聚的雪晶顆粒質(zhì)量與假定顆粒不繞過結(jié)構(gòu)物而可能積聚的質(zhì)量之比.上述定義適用于求解顆粒整體碰撞系數(shù)，而不適用于計算局部碰撞系數(shù).本文絕緣子表面雪晶顆粒局部碰撞系數(shù)的計算方法如圖6所示.假設(shè)雪晶顆粒在遠離絕緣子之前沿氣流均勻分布，3個相鄰顆粒W₁、W₂、W₃圍成面積為S₀的三角形，并均以V的初始速度向絕緣子運動，最終3個顆粒被絕緣子捕獲形成W₁'，、W₂'、W₃'點，圍成的微元面積為S 對應的碰撞速度分別為V₁、V₂、V 則此時對于絕緣子表面微元中心點P的局部碰撞系數(shù)β可以表示為：

當風速v為6 m/s、顆粒直徑MVD （Median Volume Diameter）為50μm時，絕緣子表面局部碰撞系數(shù)如圖7所示.由圖7可知：

1）鋼帽前駐點處的局部碰撞系數(shù)最大，可達0.7 沿氣流方向逐漸降低.

2）絕緣子傘裙表面顆粒碰撞特性呈現(xiàn)兩種趨勢，一是沿傘裙表面切線方向，局部碰撞系數(shù)的變化規(guī)律與鋼帽類似;二是沿傘裙表面徑向方向，從傘裙邊緣到傘裙與鋼帽交界處，局部碰撞系數(shù)逐漸減小，最大的碰撞系數(shù)為0.56.

為進一步對比分析絕緣子表面不同位置顆粒局部碰撞系數(shù)的差異，以中間絕緣子為例，在其表面定義了5個不同截面[圖8（a）]，5個截面的碰撞系數(shù)分布情況如圖8（b）所示.由圖8（b）可看出：

1）與絕緣子碰撞的雪晶顆粒主要集中在迎風側(cè)傘裙邊緣和鋼帽處，而且所有截面的碰撞系數(shù)在迎風側(cè)駐點處最大，沿流線方向的兩側(cè)逐漸減小.

2）截面B的碰撞系數(shù)略高于截面A對應的碰撞系數(shù).這是由傘裙對氣流的擾動作用所致，截面A的等效直徑較小，擾動作用明顯，使得雪晶顆粒易隨氣流繞流通過絕緣子.與截面A相比較，截面B的氣流穩(wěn)定性較好，雪晶顆粒繞流數(shù)量較少，易被絕緣子表面捕獲.

3）傘裙邊緣（截面E）的碰撞率明顯大于傘裙表面（截面C、截面D），這是因為傘裙邊緣的傾斜角度遠大于傘裙表面，雪晶顆粒對氣流的跟隨性較差，易偏離氣體流線而與絕緣子碰撞，因此雪晶顆粒的碰撞系數(shù)和碰撞范圍明顯增大.

4）對于同處在傘裙表面的兩個截面，截面D的碰撞系數(shù)略高于截面C.這是因為與截面C相比，截面D的傾斜角度略大，故其碰撞系數(shù)和碰撞范圍增大.

綜上所述，根據(jù)局部碰撞系數(shù)大小就可以預測絕緣子表面不同位置的覆雪狀態(tài)，即傘裙邊緣和鋼帽處覆雪最嚴重，因此下文重點分析截面E和截面B的顆粒局部碰撞特性.

絕緣子表面不同位置局部碰撞系數(shù)與環(huán)境參數(shù)有關(guān).本文在溫度為-10℃，液態(tài)水含量為0.6 g/m³的條件下，設(shè)置不同風速和顆粒直徑，計算了絕緣子傘裙邊緣（截面E）和鋼帽處（截面B）的局部碰撞系數(shù)，結(jié)果如圖9（a）、圖9（b）所示.

由圖9（a）可知，當MVD=50 μm時，隨著風速的增加，雪晶顆粒在傘裙邊緣和鋼帽處的碰撞系數(shù)逐漸增大.當風速為3 m/s時，絕緣子鋼帽處和傘裙邊緣局部碰撞系數(shù)最大值分別為0.49和0.42.而當風速增大到12 m/s時，局部碰撞系數(shù)分別增至0.87和0.66，分別增加了77.6%和57.1%.這是因為當風速增大時，隨氣流運動的雪晶顆粒速度也增大，導致氣流曳力作用時間較短，雪晶顆粒來不及繞流更容易碰撞到絕緣子表面.

從圖9（b）可以看出，當風速一定時，MVD對局部碰撞系數(shù)的影響與圖9（a）中風速對碰撞系數(shù)的影響規(guī)律相似，即隨著MVD的增加，兩個截面的局部碰撞系數(shù)均增大.在MVD從20 μm增大至60 μm的過程中，絕緣子鋼帽處和傘裙邊緣局部碰撞系數(shù)最大值分別從0.16和0.14增大至0.83和0.63.同時，隨著MVD的增大，碰撞系數(shù)增長趨勢變緩.其原因可以解釋為：當顆粒直徑較小時，氣流曳力起主要作用，顆粒對氣流的跟隨性較好，易隨氣流繞過絕緣子;隨著顆粒直徑的增大，在慣性作用下，更多的顆粒與氣流分離碰撞絕緣子表面，當顆粒直徑增大到一定程度時，與絕緣子碰撞的顆粒數(shù)目達到飽和.

3絕緣子覆雪形態(tài)三維數(shù)值模擬

覆雪過程取決于絕緣子表面的質(zhì)量守恒方程和熱平衡方程[23]：

式中：ρ_ff、h_f、V_f，c_f分別是雪層的密度、厚度、速度矢量和比熱容;V_∞是空氣初始速度;ω_d是空氣中的液態(tài)水含量;β_d是雪晶顆粒的碰撞系數(shù);m_evap是蒸發(fā)的液水質(zhì)量;m_snow是覆雪的液水質(zhì)量;T_f是環(huán)境溫度;T_∞是空氣遠場溫度;L_evap是蒸發(fā)潛熱;L_fusion是融化潛熱;c_s是雪晶的比熱容;T是覆雪溫度;σ是Stefan常數(shù);ε是雪層的輻射率;c_h是雪層對流換熱系數(shù);T_snow是雪層表面溫度;q_cond是傳導熱流量.

通過式（1）～（11）的求解，可以得到絕緣子表面每個網(wǎng)格單元上的覆雪質(zhì)量.通過Jones模型計算絕緣子覆雪密度后，就可以得到絕緣子表面的覆雪形狀分布[24].

ρ_i=249-84lnπ_c-6.24（lnπ_a）²+135lnπ_k+18.5lnπ_klnπ_a-33.9（lnπ_k）（12）

其中：

式中：ρ_i為雪晶的密度（kg/m³）;k_a為空氣的熱導率，等于2.4mW/（m·K）;ρ_w、ρ_a分別為雪晶顆粒密度和空氣密度（g/cm³）;μ為空氣凍黏滯系數(shù);a為雪晶顆粒半徑（μm）;v為風速（m/s）;T為雪層表面與環(huán)境溫差（℃）;w為空氣中液水含量（g/cm³）;R為覆雪結(jié)構(gòu)物半徑（cm）;L_f為雪晶顆粒凍結(jié)釋放的潛熱（W/kg）.

當風速為6 m/s、MVD為50 μm、溫度為-10℃、液態(tài)水含量為0.6 g/m³時，絕緣子表面覆雪分布隨時間的變化如圖10所示.

從圖10中可以看出，覆雪主要形成在絕緣子的迎風側(cè)，且隨著覆雪時間的增加，絕緣子迎風側(cè)傘裙邊緣和鋼帽處的覆雪量增加最為明顯，絕緣子背風側(cè)幾乎沒有覆雪存在，這與前述求解的絕緣子表面局部碰撞系數(shù)分布規(guī)律一致.

圖11為從絕緣子中軸線上提取的覆雪形態(tài)，可更加直觀地看出相較于絕緣子背風側(cè)，覆雪主要集中在絕緣子迎風側(cè)傘裙邊緣和鋼帽處，而且隨著時間的增加，覆雪厚度和范圍逐漸增大.由前述分析可知，絕緣子背風側(cè)受逆壓梯度的影響，易形成渦流區(qū)，因此傘裙下表面的傘棱凹槽處有少量覆雪.

4不同環(huán)境條件下絕緣子的覆雪增長特性

自然條件下，絕緣子覆雪過程與周圍環(huán)境參數(shù)密切相關(guān).因此，本節(jié)重點研究覆雪環(huán)境參數(shù)包括風速（v）、顆粒直徑（MVD）和液態(tài)水含量（LWC）對絕緣子覆雪量的影響.

4.1風速的影響

為對比分析不同風速下絕緣子表面的覆雪增長特性，分別仿真計算了風速為3 m/s，6 m/s，12 m/s時絕緣子的覆雪質(zhì)量，結(jié)果如圖12所示.覆雪時間為120 min時，3種風速下絕緣子表面的覆雪形態(tài)如圖13所示.

由圖12可知，在不同風速下，絕緣子表面的覆雪量均隨覆雪時間的增加而增大，且風速越大，覆雪越多.如，當覆雪時間為180 min、風速為3 m/s時，絕緣子表面的覆雪量為0.27 kg;而當風速達到12 m/s 時，覆雪量增至2.19 kg，增加了7倍之多.結(jié)合圖12、圖13可以發(fā)現(xiàn)，隨著風速的增大，絕緣子傘裙邊緣和鋼帽處相較于其他位置覆雪增長明顯.這是由于在更大的風速下，單位時間內(nèi)輸送到絕緣子表面的雪晶顆粒增多，而且顆粒動能增大，易偏離氣體流線與絕緣子表面碰撞.

4.2顆粒直徑的影響

當MVD分別為20μm、40μm和60μm時，覆雪量隨覆雪時間的變化趨勢如圖14所示.不同MVD下絕緣子表面覆雪120 min后的形態(tài)如圖15所示.

由圖14和圖15可以看出，在相同的覆雪時間內(nèi)，顆粒直徑越大，絕緣子表面的覆雪量越多.例如，當覆雪時間為180 min，MVD從20 μm增大到60 μm時，絕緣子表面的覆雪量從0.14 kg增至0.99 kg.MVD越大即雪晶顆粒越大，其具有的動能越大，更容易碰撞到絕緣子表面，且雪晶顆粒在自身慣性作用下趨于保持原有運行軌跡，繞流雪晶顆粒數(shù)量減少，碰撞雪晶顆粒數(shù)增多.由于傘裙邊緣和鋼帽處局部碰撞系數(shù)最大，這兩處覆雪最嚴重.

4.3液態(tài)水含量的影響

當LWC分別為0.3 g/m 0.6 g/m³和1.2 g/m³時，覆雪量隨時間的變化規(guī)律如圖16所示.不同LWC下絕緣子表面覆雪120 min后的形態(tài)如圖17所示.

如圖16、圖17所示，隨著LWC的升高，絕緣子的覆雪量增大.例如，絕緣子覆雪180 min后，當液態(tài)水含量為0.3 g/m³時，對應的覆雪量為0.40 kg;當液態(tài)水含量增大至1.2 g/m 覆雪量為1.61 kg，增加了3 倍.當空氣中液態(tài)水含量增大時，相同時間內(nèi)碰撞到絕緣子表面的雪晶顆粒數(shù)量會相應增加，導致覆雪量的增加.

5試驗驗證

為驗證絕緣子覆雪三維數(shù)值模型，在圖18所示的多功能人工氣候室進行絕緣子覆雪試驗.試驗中采用粒徑50 μm、液態(tài)水含量0.6 g/m³的雪晶顆粒，風速設(shè)為3 m/s、6 m/s，每隔0.5 h測量一次絕緣子覆雪量，并與模型仿真數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果如圖19所示.圖20所示為覆雪過程中絕緣子表面覆雪量.

從試驗結(jié)果可以看出，絕緣子串在多功能人工氣候?qū)嶒炇抑懈惭┮院螅惭┲饕练e在絕緣子串迎風側(cè)傘裙邊緣，并且絕緣子鋼帽迎風側(cè)也有較多的積雪.對比發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬中絕緣子表面積雪形態(tài)相對平滑，而多功能人工氣候?qū)嶒炇覂?nèi)濕度較高，絕緣子表面積雪形態(tài)較為粗糙.

由圖20可知，數(shù)值模擬和人工試驗結(jié)果均表明，絕緣子表面覆雪量隨時間線性增長.此外，在本文研究范圍內(nèi)，兩者之間的誤差小于16.3%，表明該數(shù)值模型能夠有效反映絕緣子表面覆雪過程.在積雪2h內(nèi)，人工試驗中絕緣子表面覆雪量始終大于數(shù)值模擬覆雪量.主要原因有以下兩個方面，一是多功能人工氣候?qū)嶒炇沂欠忾]環(huán)境，背風面可能會形成渦流，導致此處積雪.數(shù)值模擬中設(shè)置了出口邊界，雪晶顆粒可以通過氣流繞過絕緣子，背風面覆雪較少;二是由于多功能人工氣候?qū)嶒炇覂?nèi)濕度較高，更加有利于雪晶顆粒的積聚和黏附.

6結(jié)論

1）由于流體具有黏性，氣流在繞流絕緣子時形成邊界層，在其內(nèi)部形成壓力梯度.氣流流近絕緣子前駐點處速度為0，沿流線方向速度增大，壓力減小.當氣流繞過絕緣子迎風側(cè)時，轉(zhuǎn)變成增壓減速運動，背風側(cè)速度幾乎為0.

2）沿傘裙表面徑向方向，從傘裙邊緣到傘裙與鋼帽交界處，局部碰撞系數(shù)逐漸減小;沿傘裙表面切線方向，從絕緣子迎風側(cè)前駐點處沿氣體流向向傘裙兩側(cè)降低，前駐點處局部碰撞系數(shù)最大，可達0.56.鋼帽處的局部碰撞系數(shù)變化規(guī)律與傘裙表面類似，最大碰撞系數(shù)為0.74.

3）由于絕緣子鋼帽和傘裙邊緣處的局部碰撞系數(shù)最大，因此覆雪主要集中在這兩個位置.受絕緣子背風側(cè)逆壓梯度形成的渦流區(qū)影響，絕緣子傘裙下表面凹槽處存在少量覆雪.

4）風速、顆粒直徑和液態(tài)水含量通過影響雪晶顆粒的粒徑、動能、慣性等因素，進而影響絕緣子的覆雪量，總體趨勢是隨著v、MVD和LWC的增大，覆雪量隨之增大.180 min后，覆雪量最大可達2.19 kg.

5）數(shù)值模擬和人工試驗結(jié)果表明，絕緣子迎風面?zhèn)闳惯吘壓弯撁碧幯┚ьw粒碰撞系數(shù)最高，積雪最嚴重.在不同環(huán)境條件下，兩者誤差小于16.3%，表明該仿真模型能夠較好地模擬降雪過程.本文的研究期望推動絕緣子覆雪由試驗研究向數(shù)值模擬研究方向發(fā)展.

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