基于计算流体力学的输电线路结冰数值模拟研究报告

研究基本信息及作者

本文是一篇关于输电线路结冰的数值模拟研究的学术论文，标题为“Numerical Simulation of Transmission Line Icing Based on Computational Fluid Dynamics”，发表于《Journal of Physics: Conference Series》。文章的引用格式为：Junxiang Liu et al., 2022, Journal of Physics: Conference Series, 2378, 012070。研究由广东电网广州供电局的Junxiang Liu、Zhong Xu、Weinan Fan、Yong Wang和Wenxiong Mo完成，研究主要使用基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）的仿真技术对输电线路的结冰问题进行了深入探讨。

研究背景

输电线路结冰是因冷暖空气交汇、冷冻雨形成、局地地形和微气候效应等多重因素所导致的一种自然现象，严重时会引发电网设施如导线、杆塔等的破坏，甚至导致大范围停电。不仅如此，也可能给社会带来极大的经济损失及生活不便。中国是受输电线路结冰灾害严重影响的国家之一，例如2004年底重庆地区持续近10天的冻雨天气导致大量输电线路结冰，局部结冰厚度甚至高达100毫米，冰密度为0.9g/cm³，导致了杆塔承载力超过设计值、大面积线路损坏。以此为背景，为了更好地预测和应对输电线路结冰，设计有效的递冰或化冰方案，以及实现线路舞动（Galloping）的早期预警，科学界展开了大量研究。然而，现有的大多数研究未能充分考虑结冰条件的时间变化性，并且在结冰机理的研究和实际观测数据获取方面仍有技术和模型上的缺陷。

文章的研究目标是提出一种基于CFD技术的数值模拟方法，从空气流场分布、冷却水滴运动轨迹和多尺度水滴碰撞过程等建模，建立线路结冰热力学模型，从而实现对输电线路结冰过程的准确预测，包括结冰形态、类型和影响因素解释，进而为重要输电线路的安全稳定运行提供技术保障。

研究工作流程

1. 风洞模型的建立

研究首先使用CFD仿真软件建立了输电线路的风洞模型。因输电线路的横截面为标准圆形，在建模环节中选用了Gambit软件直接生成的二维横截面模型。研究设定了冰层厚度为5毫米、10毫米、15毫米和20毫米等标准值，基于国家中重冰区架空输电线路技术规范，考虑各种冰层厚度下的风荷载系数（如冰厚5mm时系数为1.1；20mm以上为1.5~2.0）。

在模型网格划分时，为提高计算精度和适配复杂几何结构，采用了混合网格（Hybrid Grid）的方式，其中在要求高正交性的区域使用结构化网格，在复杂流动区域使用非结构化网格。这种网格划分方式综合了两种网格的优点，既保证了精度又兼顾复杂计算区域的适配性。最终，对线路的冰覆盖区域进行混合网格划分，并计算输电线周围气流场的分布。

2. 气流场分布与水滴碰撞特性分析

研究通过CFD技术，使用雷诺时均方程（Reynolds Average N-S Equation）对湍流进行分解，并通过雷诺应力项模块化脉动运动的平均影响。在模型中设定了控制体，并解析了水滴的运动轨迹。水滴运动假设包括：冷却水滴与周围空气无热交换，均匀分布且物理性质不变。

再进一步剖析，通过Messinger热力学结冰模型计算各控制体内的结冰质量，其中考虑的能量平衡项包括空气对流、冰面摩擦、能量损失蒸发，以及水滴撞击所引发的热效应。此外，在每完成一个时间步的计算后，对模型网格的边界进行更新，以适应由结冰形状变化对气流分布的影响，确保下一时刻的仿真准确性。

3. 结冰状态的数值模拟

研究重点分析了不同环境参数对结冰状态的影响。模拟结果表明： - 温度影响：温度主要决定了冻结系数和密度分布。在低温（如-10℃）下，结冰厚度和宽度分别为0.0125米和0.0025米，较高温度条件下上、下部的结冰增加，并呈现湿增长状态。 - 风速影响：风速不仅影响水滴的局部碰撞特性，还影响整体的结冰形状。风速越高，导线中间部分结冰厚度减小，两侧结冰厚度增加。 - 导线直径影响：当导线直径较大时，单位面积上的结冰强度较小；直径减小时，结冰厚度变得不规则，结冰类型从霜形逐渐转变为混合型或阶状冰。

具体的结论通过图示化的方式进行验证，如-10℃时输电线路的结冰形态分析图，有助于更直观地理解气象与物理因素的耦合作用。

研究主要结果

结冰过程的定量模拟不仅预测了不同环境参数对结冰形态的影响，也进一步揭示了结冰强度分布与局部碰撞特性的联系。在模拟测试中，研究提出了基于CFD的新方法，将输电线路结冰过程分解为气流场建模阶段、水滴运动分析阶段和多尺度水滴碰撞计算阶段，结合Lagrange方法和Runge-Kutta算法追踪水滴轨迹。此外，通过Messinger模型建立了结冰质量和形态的热力学公式，定量输出了承载能力相关的关键信息。

研究意义与价值

本文打开了基于CFD对输电线路结冰状态进行数值模拟的大门，为未来的输电线路防冰、融冰以及安全监测技术提供了理论基础，也为建立区域电网抗冰技术规范应用提供支持。研究解决了传统物理模型在实际数据微调上的难点问题，同时为复杂天气条件下的大型电网防护提供了重要的参考依据。

研究亮点

• 提出了基于CFD的创新性结冰模拟方法，显著提升了结冰过程建模的精度与实践适配性。
• 综合考虑了自然环境（如温度与风速）与输电线路物理特性（如导线直径）的多维影响因素。
• 引入混合网格划分技术以及Messinger热力学模型，使得模拟结果更加贴近实际。

总结

本文通过建立精细的输电线路结冰模型，完善了输电系统抗冰研究范式，不仅深化了对结冰过程物理机制的理解，还为实际运维提供了技术依托，为抗冰灾工作提供了切实的指导意义。