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研究作者与发表信息

本文题为《Atmospheric ice accretion on railway overhead powerline conductors - a numerical case study》，由 A. Lotfi、M. S. Virk 和 J. A. Pettersen 联合撰写，其作者所属机构分别为UIT–The Arctic University of Norway的Arctic Technology & Icing Research Group与Department of Industrial Engineering。本文发表于《International Journal of Multiphysics》2023年第17卷第3期。

研究背景

本研究属于大气物理与轨道交通工程领域，主要关注极寒气候条件下铁路基础设施的冰积现象，特别是对铁路接触网导线的影响。在许多经历严冬和极端低温的国家，例如挪威、瑞典、芬兰、美国、俄罗斯和加拿大，大气温度可能降至-35°C。这种条件下，冰积导致接触网导线出现过载、质量失衡、形成电弧及导线颤振等现象，从而威胁铁路运输的安全性和可靠性。

现有研究虽对常规电力传输线的冰积情况有较深刻的认识，但针对铁路接触网导线的研究相对较少。铁路接触网导线具有与电力传输导线不同的几何形状和材质属性（铜合金），以及更短的跨度和更低的安装高度。这些差异直接影响冰积过程及其危害。因此，开展针对铁路接触网导线的冰积研究尤为重要。本研究聚焦于通过多相大气冰积过程的数值模拟，以理解不同条件下的冰积物理过程及其对铁路导线的影响。

研究目标为：利用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）工具，模拟和分析两种几何形状的铁路接触网导线（环形和槽形）的冰积现象，并考察环境条件（风速、液态水含量（Liquid Water Content, LWC）、云滴尺寸分布、大气温度等）对冰积的影响规律。

研究方法

本文通过数值模拟开展了多步骤研究，采用ANSYS FENSAP-ICE软件来分析空气流动、液滴行为、热动力学过程及相变机制。

数值模型与计算设置

1. 研究对象：

   • 几何形状：槽形导线和环形导线。
   • 导线直径：12毫米。
   • 仿真参数：风速（10 m/s，25 m/s）、液态水含量（0.25 g/m³，1 g/m³）、云滴平均体积直径（Median Volume Diameter, MVD，20 μm）、温度（-2°C，-25°C）。

2. 网格设置：

   • 采用O型结构化数值网格，网格最小单元大小为1e-6，网格灵敏度研究表明约束第一层网格的热通量计算较为精确。
   • 网格随时间步推进通过ALE（Arbitrary Lagrangian Eulerian）公式自动调整，以考虑冰增长的影响。

3. 关键方程：

   • 流体控制方程采用纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equation）描述质量、动量和能量守恒。
   • 液滴动力学采用欧拉两相流动模型，假设水滴为球形。
   • 表面热动力学计算考虑了对流、蒸发冷却、融化潜热、黏性及动能加热的热通量。

4. 分析流程：

   • 空气流动特性的模拟。
   • 液滴碰撞效率的计算。
   • 冰积形态的预测与增长模拟。

研究结果

1. 数值模型验证

本研究使用既有的实验数据对模型进行了验证，实验数据来源于Ping Fu等人的环形导线在风洞中的冰积实验（Cold Regions Science and Technology, 2006）。验证结果表明，本文数值模型与实验结果高度吻合。

2. 风速对冰积现象的影响

风速被设定为两种情景：10 m/s和25 m/s。结果表明： - 风速越高，空气流动的分离现象越显著，尤其在槽形导线的背风侧。 - 风速增加导致液滴惯性增大，从而提高液滴的碰撞效率。 - 结果显示，在25 m/s风速下，导线上的冰积厚度和冰质量均显著增长。

3. 环境温度对冰积的影响

研究了两个温度情景：-2°C和-25°C。 - 低温情况下（-25°C），液滴几乎100%冻结，导致冰积增速更快。 - 高温（-2°C）下，由于表面热通量更高，液滴仅部分冻结，大部分形成薄水层回流。 - 在槽形导线内凹区域观察到复杂的冰积形态，尤其在-2°C时，可能进一步影响空气动力学特性。

4. 液态水含量（LWC）对冰积的影响

液态水含量的增加显著提高了冰积厚度。 - 在LWC为1 g/m³的条件下，冰积增长速度比0.25 g/m³的条件更快，主要因空气中含水量增多导致。

5. 云滴尺寸分布与液滴大小的影响

不同Langmuir分布模型（A到E）的比较显示，不同云滴分布会改变液滴碰撞效率。 - 单一分布（Lang-A，20 μm）下，液滴碰撞效率最高。 - 液滴大小越大（MVD增加），液滴受气流影响较小，因此更容易碰撞到导线表面，导致冰积加速。

研究结论

本研究通过数值模拟揭示了铁路接触网导线冰积的影响因素及物理机制，主要结论包括： 1. 冰积现象受到导线几何形状及操作条件（风速、温度、LWC、MVD）显著影响。 2. 槽形导线较环形导线更易产生复杂冰积结构，可能增加空气动力学损耗。 3. 风速和低温条件下，冰积厚度和质量显著增长。 4. LWC和MVD的增加均加剧冰积现象。

研究亮点

1. 本研究首次利用CFD模拟分析铁路接触网导线（槽形）的冰积现象，填补了相关领域的研究空白。
2. 研究流程与物理模型完善，结合多种变量系统地分析了冰积行为。
3. 提供了可量化的数据支持，表明操作参数对冰积的潜在优化可能。

学术与实际意义

本研究为铁路运行体系在寒冷气候中的安全性和可靠性提供了重要理论依据，为冰积检测、防控和维护策略的开发奠定了科学基础。同时，研究结果也可为其他供电导线和基础设施的抗冰积设计提供启示。