【《绝缘子积污仿真方法及模型建立分析案例》2800字】

绝缘子积污仿真方法及模型建立分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u22998绝缘子积污仿真方法及模型建立分析案例 1190941.1绝缘子积污两相流法基本原理 1137931.1.1欧拉两相流计算方程 1107641.1.2湍流模型的选择 280231.1.3仿真步骤 3118421.2绝缘子积污模型建立及网格划分 4185671.1.1模型建立 4108391.1.2网格划分 587001.1.3计算方案与边界条件的设置 558911.1.4绝缘子表面积污的表征参数 6190671.3小结 71.1绝缘子积污两相流法基本原理关于两相流系统一般可分为三类有不同相组成的系统：气体和固体、气体和液体以及固体和液体。本文研究的是V型悬挂棒式绝缘子的积污特性，污秽颗粒随气流进行流动，颗粒为固体，气流为气体，因此在本文中选用气-固两相流系统。而目前，绝缘子流体力学仿真分析中模型的选择有两种，一种是离散相模型，一种是连续相模型。离散相模型虽然计算速度快，但是得出的实验结果有较大误差，不精确，而连续相模型正好可以解决这一缺点，因此在本文中采用连续相模型，也即欧拉两相流法进行仿真研究。1.1.1欧拉两相流计算方程采用欧拉两相流法模拟污秽颗粒在绝缘子表面的沉积状况时，将污秽颗粒当作连续相并引入体积分数这一概念来描述每一相变量，颗粒相和流体相有各自运动的规律，其基本方程如式1.1所示： (1.1)上式中，为空气相的体积分数，为颗粒相的体积分数。欧拉两相流法因为来源于流体力学，因此该方法遵从流体力学中的基本方程，即质量守恒方程和动量守恒方程。质量守恒方程（连续性方程）如式1.2所示： (1.2)上式中，i=g=1，2，3代表空气相，i=s=1，2，3代表颗粒相；是流体密度，代表第i相的密度，是流体速度，代表第i相的速度。流体力学中动量守恒是指单位时间内，流入到控制体里面的动量以及作用在控制体上的外力之和应等于控制体内部的动量增加量，其方程如下式1.3及1.4所示: (1.3) (1.4)上式中，P代表颗粒相的压强；代表重力加速度；为空气相的应力张量，为颗粒相的应力张量；，是颗粒相和空气相的动量交换系数，两者相等，表达式如下式1.5所示： (1.5)上式中，用CD来表示相间曳力系数；ds代表颗粒相的直径。1.1.2湍流模型的选择在本文中选用RNG-ε模型，因为该模型的方程条件较其他模型更多，所以得到的仿真结果更为准确，并且此模型考虑到了湍流漩涡，可以更好地反应湍流状态。RNGk-ε模型的表达式如下式1.6和1.7所示： (1.6) (1.7)其中：式中，Gk代表平均速度梯度产生的湍流动能；αk为湍动能k对应的普朗特数，αs为耗散率ε对应的普朗特数；C1ε与C2ε为经验常数；µeff为湍流粘性系数。1.1.3仿真步骤在进行仿真研究分析之前，需要先对V型绝缘子进行一系列处理。先将，然后在SolidWorks中将之前绘制的平面模型导入并进行旋转分割使其成为三维模型，最后在ICEM中导入创建的三维模型并进行网格划分，设置好相对应的边界条件，再进行仿真分析，得出正确的试验结果。仿真流程图如下图1.1所示：图1.1仿真流程图(1)模型创建由于在ANSYS中对给定的三维模体建模较复杂，因此采用别的软件先对模型进行处理。先选择AutoCAD软件，根据给定的参数绘出绝缘子的平面模型，然后再用SolidWorks中将之前绘制的平面模型导入并进行旋转分割使其成为三维模型。(2)网格划分将建立好的绝缘子三维模型导入ICEM中，先得确定自己所需要的计算域大小，确定完计算域就可以进行网格划分。划分完成后检查网格质量是否达标，因为网格质量若不达标将会影响最终的试验结果，当检查到网格质量达标后，将生成的网格进行保存，并输出为Mesh文件。(3)设置边界条件将生成的Mesh文件导入Fluent流体仿真软件，然后进行边界条件的设置，计算湍流强度以及水力直径。(4)模型选择选择欧拉气-固两相流模型，将流入的空气作为第一相，污秽颗粒作为第二相，并设置相关参数，湍流模型选择RNGk-ε。(5)后处理将Fluent流体仿真软件运行完的试验结果保存为dat文件，然后导入CFD-Post中进行后续数据处理，在CFD-Post中生成绝缘子表面静压图、速度矢量图以及污秽在绝缘子表面的分布图。1.2绝缘子积污模型建立及网格划分1.1.1模型建立本文选取接触网V型悬挂棒式绝缘子为研究对象，其模型结构如下图1.2所示。其左右绝缘子是对称的，分别由8个大伞裙和8个小伞裙所组成。图1.2V型绝缘子模型1.1.2网格划分网格的划分不仅要使划分完的网格仍然保证绝缘子的几何特性，同时还要使划分完的网格数量满足计算机的硬件要求，因为网格数量过多会导致计算机运行困难，因此两者之间的平衡就显得尤为重要。在硬件条件满足的情况下，尽可能的增加网格数量来提高网格的质量，并且在接触部位对网格进行细化以保证高精度的要求。在本试验中将每个绝缘子分为迎风面，背风面以及左右侧风面四个部分，便于后续分析处理试验结果。如下图1.3所示，(a)为绝缘子正面来流角度下的网格模型，(b)为绝缘子侧面来流角度下的网格模型。其中将右侧壁面设置为气流入口面，即inlet面，左侧壁面设置为气流出口面，即outlet面，其余四个面均设置为墙面，即wall面。根据绝缘子结构将该模型的计算域设置为3000mm×3000mm×3000mm的正方体。这样可以使流体得到充分发展，流速基本趋于稳定，防止回流的产生。(a)正面来流(b)侧面来流图1.3网格模型1.1.3计算方案与边界条件的设置当V型绝缘子网格划分完成之后，需要将划分完的网格导入到Fluent流体力学软件，并进行边界条件的设置。在本文中，假设污秽颗粒在运动过程中只受到重力和曳力的作用，忽略其他力的影响，因此在本文只需设置3种不同的边界条件，将右侧壁面，即气流流入面设置为为速度入口边界(velocity_inlet)；将左侧壁面，即气流流出面定义为充分发展的流场出口面(out_flow)；剩余的四个面为壁面(wall)，气流方向与入口为垂直关系。由于颗粒跟随气流进行运动，因此绝缘子的污秽分布与风速密切相关，在本文中用湍流强度和水力直径来表征大气湍流的运动特性。湍流强度和水力直径的表达式如下式1.8所示： (1.8)其中，I为湍流强度；D为水力直径；L为流场入口面积，本文中为9m2；d为湿周，也即流场入口周长，本文中为12m；计算可得水力直径的大小为3m。Re为雷诺数，在本文中用它来表征气流的流动状况。其计算公式如下式1.9：(1.9)其中，表示空气密度，根据经验值取1.29kg/m3；v表示流体的速度，m/s；η表示流体的粘性系数，根据经验值在本文中取为1.79×10-5m2/s。在本文中，选取三个等级的风速和四种不同大小的粒径进行研究。由于兰新高铁地处西北，大风天气时常出现，因此，本文设置10m/s、20m/s、30m/s三种不同的风速等级，污秽颗粒粒径设置为5μm、10μm、15μm及20μm，选用CaCO3作为本文中的污秽颗粒，由经验值得，其密度为2800kg/m3，粘度为1.72×10-5m2/s。根据上式计算可得三种风速下入口处的湍流强度如下表1.1所示：表1.1不同气流流速下的湍流强度入口流速μ0(m/s)102030湍流强度I0.0258380.023693760.02252281.1.4绝缘子表面积污的表征参数在本文中决定用污秽体积分数平均值来表征绝缘子表面各部分的积污情况。如图1.4所示为计算绝缘子污秽体积分数平均值的界面。图1.4污秽体积分数平均值1.3小结本章主要介绍了绝缘