类型a：这篇文档报告了一项原创研究，因此以下内容将基于类型a的要求撰写。
作者与机构及发表信息
本文由黄国胜（Guosheng Huang）、吴明亮（Mingli Wu）、梁洁怡（Jieyi Liang）等多位作者合作完成，主要作者来自北京交通大学电气工程学院、中国铁路建设电气化局集团有限公司以及中铁建设电气化设计研究院有限公司。该研究发表于《Energies》期刊，2025年2月20日出版，文章编号为1028，DOI为10.3390/en18051028。
学术背景
本研究属于电气工程领域，专注于解决电气化铁路接触网系统的覆冰问题。接触网系统长期暴露在自然环境中，容易因覆冰导致受电弓电流收集性能下降，从而影响系统的安全性和可靠性，并可能引发严重的机械磨损和电弧侵蚀。这些问题对列车的正常运行造成威胁，甚至导致重大经济损失和社会影响。为了应对这一挑战，研究者提出利用导体中直流电流产生的焦耳热来融化覆冰的方法。这种方法具有低损伤、高效率和无污染的优势，尽管能耗较高，但无需额外设施支持，在实际应用中成本较低，因此具有广阔的应用前景。
本研究旨在通过建立有限元仿真模型，模拟接触网系统的融冰过程，并分析环境温度、风速、电流强度和覆冰厚度等因素对融冰效果的影响。此外，研究还试图验证模型的有效性，并结合实际工程需求提供应用建议。
研究方法与工作流程
本研究的工作流程包括以下几个关键步骤：
全尺度测量实验
研究团队在中国常益长铁路汉寿站主线上进行了全尺度测量实验，测试了约1200米的接触网系统，其中主线长度约为600米。实验电路图显示，测试电路与相邻两个锚段分离，采用JTMM120+CTMH150组合悬挂线。实验设置了负极接入点以模拟联合电气连接，并记录了多个测温点的数据。实验条件包括环境温度26°C、电流1096A和风速1.6m/s。
仿真模型构建
使用COMSOL 6.2软件建立了接触网系统的有限元仿真模型。模型包括接触线、承力索和吊弦，并考虑了冰层的相变潜热、空气与导体之间的对流换热以及冰层与导体之间的热传导。为了提高模型精度，研究者对几何参数和材料性能参数进行了等效计算。例如，外径被设置为接触线的最大外径，电阻率和密度则根据模拟面积与实际面积的比例进行调整。
边界条件与参数设置
仿真模型的边界条件包括电流接口和固体传热接口。电流接口的一端连接正极（电流源），另一端接地；固体传热接口设置了冰表面的热通量，用于计算与空气的对流换热。研究者还设置了不同环境温度（-1°C至-25°C）、冰层厚度（1mm至30mm）、风速（2m/s和13.8m/s）以及电流强度（500A至2000A）的参数组合。
数据验证与分析
研究团队通过对比实验测量数据与仿真结果验证了模型的有效性，最大误差率低于10%。随后，他们利用模型分析了不同条件下接触线和承力索的稳态温度、最大可融冰厚度、融冰时间以及极限电流。
主要结果
1. 稳态温度分析
在风速2m/s、电流1000A的条件下，研究发现环境温度显著影响融冰速度。当冰层厚度为10mm时，随着环境温度从-1°C降至-25°C，接触线开始融冰的时间从2分钟延长至60分钟，最终无法融冰。对于承力索，其稳态温度通常比接触线低8.67°C左右，表明接触线的融冰速度更快。
最大可融冰厚度
在风速13.8m/s、电流1000A的条件下，研究发现当环境温度为-1°C时，接触线和承力索的最大可融冰厚度分别为14mm和13mm；当温度降至-5°C时，最大可融冰厚度分别降至6mm和4mm；当温度进一步降低至-10°C时，仅能融化1mm厚的冰层。
融冰时间分析
对于10mm厚的冰层，在-1°C环境下，接触线和承力索的融冰时间分别为2-30分钟和2-38分钟；在-5°C环境下，融冰时间显著延长，分别为18-140分钟和32分钟以上。对于20mm和30mm厚的冰层，融冰时间进一步增加，且在更低温度下无法实现完全融冰。
极限电流分析
在无覆冰条件下，研究发现当电流从500A增加至2000A时，接触线和承力索的温升分别从9.08-9.25°C增加至214.07-218.59°C和6.88-7.01°C增加至173.43-177.13°C。这表明电流强度对导体温升具有显著影响。
结论与价值
本研究表明，环境温度是影响融冰速度的关键因素，而电流强度和冰层厚度则决定了融冰的可行性和效率。研究提出的有限元仿真模型能够有效反映接触网系统的融冰过程，并为实际工程应用提供了重要参考。该研究不仅加深了对融冰物理过程的理解，还为电气化铁路接触网系统的防冰和融冰技术提供了理论支持和实践指导。
研究亮点
1. 提出了一个综合考虑多种物理过程的有限元仿真模型，能够准确模拟接触网系统的融冰过程。
2. 首次系统分析了环境温度、冰层厚度、风速和电流强度对融冰效果的影响，并得出了定量结果。
3. 发现了接触线和承力索在融冰过程中的温差规律，揭示了接触线融冰速度更快的原因。
其他有价值的内容
研究还指出，融冰过程中液态水的流动和冰层位移可能会改变热量分布，从而进一步优化融冰效果。未来的研究可以结合这些动态因素，进一步完善模型并探索更高效的融冰策略。