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研究作者与发表信息

本文的主要作者包括 Ruochen Zeng、Guangya Zhu、Zheng Li、Guizao Huang、Qing Shen 和 Jie Tang，分别隶属于 State Key Laboratory of Disaster Prevention and Reduction for Power Grid、Sichuan University 和 Southwest Jiaotong University 等研究单位。研究工作发表在 2024 the 7th International Conference on Energy, Electrical and Power Engineering (CEEP)。第一作者和通讯作者分别为 Ruochen Zeng 和 Zheng Li。

研究的学术背景

随着高速铁路网络的快速扩张，接触网（catenary）系统逐渐进入高海拔、高湿度以及低温严寒的复杂区域。环境因素导致接触网系统在冬季极易出现积冰现象，这直接威胁高速铁路的安全与运行效率。积冰不仅会显著影响受电弓-接触网系统（pantograph-catenary system）的性能，还可能导致列车运行中断或延误。

现阶段，积冰处理主要依赖人工除冰和机械除冰方式，效率较低，且存在劳动强度过高和操作过程不安全的缺点。因此，本文作者聚焦于接触网积冰的数值模拟和积冰特征研究，以揭示积冰机制并发展智能化分析和检测的方法，从而为接触网系统的积冰防控提供科学依据和技术支持。

研究流程与方法

研究步骤概述

研究分为以下几个关键步骤： 1. 构建基于积冰机制的接触网积冰数值计算模型。 2. 通过有限元方法和动力学分析，研究积冰过程中环境温度、风速、液态水含量等因素的影响。 3. 通过使用 APDL 文件实现积冰模型的二次开发，获得不同环境积冰厚度的数据。 4. 利用状态跟踪算法，分析不同环境参数对积冰厚度增长速率的影响。

详细步骤

1. 积冰机制建模与参数分析
作者首先研究了接触网积冰的基本机制，借鉴和扩展了芬兰学者 Makkonen 的经典积冰数值计算模型，其中引入了碰撞系数（collision coefficient）、捕获系数（capture coefficient）和冻结系数（freezing coefficient），从热平衡和动力学的角度完善了理论模型。碰撞系数计算通过分析液滴碰撞的局部特性实现，捕获系数基于湿增长积冰的分布规律计算得出，冻结系数则通过导出导线上复杂的热平衡方程求解。

2. 外部流场计算
作者使用 Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) 方程模型求解不可压缩流体外部流场，并基于该方程模拟水滴与接触网之间的碰撞轨迹。计算中假设水滴形状、热交换和湍流等影响可以忽略，采用改进的动力学方程计算液滴的运动轨迹。

3. 状态跟踪算法开发
积冰过程具有高度的随机性和非线性。为了量化积冰特征的动态演化，研究使用了基于单调性和灵敏度的状态跟踪算法，对不同积冰特征值（如环境温度、液态水含量、风速等）的影响进行评估。算法步骤如下： - 计算特征序列的单调性，以反映特征值随时间变化的趋势； - 通过中值偏差计算灵敏度，评估特征初始状态对积冰状态变化的贡献； - 综合单调性与灵敏度，定义性能跟踪能力。

4. 积冰厚度计算
作者开发了积冰厚度增长动态迭代模型，结合液态水含量、风速和接触面积等变量，通过以下公式实现厚度计算：

dm/dt = 𝛼1 * 𝛼2 * 𝛼3 * lwc * v_p * l_c 

研究流程的自动化包括使用 VB 调用 Gambit 软件生成网格、调用 Fluent 软件执行 APDL 脚本文件模拟碰撞点，以及通过 MATLAB 计算积冰厚度。

研究主要结果

1. 积冰增长模式研究
通过数值模拟发现，积冰厚度的增长主要受到以下几个因素的影响： - 环境温度：温度是影响积冰的重要因素。在 -9℃以上时，积冰厚度基本不变；但在 0℃ 至 -9℃ 时积冰厚度快速增长。其中，过低的温度会导致水滴直接转化为雪花而降低其黏附性。 - 风速与液态水含量：两者均与积冰厚度的增长呈正相关线性关系。当风速位于 1 m/s 至 10 m/s 范围时，积冰效果最佳；而液态水含量直接影响积冰质量。

2. 状态跟踪能力分析
基于状态跟踪算法的分析，作者量化了不同参数对积冰锋面演化的影响。研究发现： - 环境温度的灵敏度（0.67）较高，但其单调性（0.30）较低，表明温度变化在初期对积冰形态演化更为显著。 - 风速（0.91）和液态水含量（0.90）具有较高的单调性，但灵敏度较低（分别为 0.37 和 0.31），反映出它们对积冰厚度的长期影响更为稳定。 - 水滴中值直径对积冰形态的影响微乎其微，跟踪能力几乎可以忽略。

研究结论与意义

本文通过数值模拟研究，揭示了接触网积冰的形成机理，明确了环境温度、风速、液态水含量等对积冰厚度增长的关键作用。研究从理论和数值两个层面为接触网积冰的监测与控制提供了科学依据。具体成果包括： 1. 提出了基于积冰机制的综合流程模型和状态跟踪算法，用以量化和预测积冰特性。这一模型可应用于后续针对接触网状态的实时监测和调控。 2. 通过数值实验验证了不同参数对积冰厚度和质量的差异化影响，为优化高速铁路的机械除冰策略提供了具体的参数指导。

从广义上讲，研究对提升除冰效率、保障列车安全运行具有重要的科学价值和工程意义。

研究亮点

1. 提出了自动迭代的积冰生长模型，集成了 Gambit、Fluent 和 MATLAB 多软件平台，具有较高的流程自动化特点。
2. 首次将状态跟踪算法应用于高速铁路接触网的积冰特性动态演化分析。
3. 提出了针对接触网独特边界条件的积冰过程定量模型，不同于传统输电线路积冰的研究，具有创新性和现实针对性。

其他重要内容

本文指出，基于研究结果，未来可以进一步研究积冰特性对列车运行速度和受电弓-接触网控制策略的影响。这将为铁路系统的智能运行与维护提供更多的技术支撑。