基于CFD 的絕緣子水沖洗臨界水平偏轉(zhuǎn)角研究?

唐 田 王國志

（西南交通大學(xué)先進(jìn)驅(qū)動(dòng)節(jié)能技術(shù)教育部工程研究中心 成都 610031）

1 引言

伴隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的進(jìn)一步加深，國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展。一方面污染問題日趨嚴(yán)重，輸變電設(shè)備外圍絕緣設(shè)備因?yàn)榭諝庵蟹蹓m顆粒的影響而發(fā)生污閃的事件愈來愈多，導(dǎo)致了大面積停電以及相關(guān)設(shè)備的損壞［1］；另一方面，保持連續(xù)不斷的供電是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)。因此，在不斷電的情況下對(duì)相應(yīng)外圍絕緣設(shè)備的清洗就顯得十分必要，主要的帶電清洗方式有帶電水沖洗、帶電氣吹清掃以及涂刷防污涂料等方式［2］，其中帶電水沖洗因?yàn)槠淝鍜咝矢摺⒊杀镜汀⒉灰笸ｋ娮鳂I(yè)、對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行影響小［3］等多方面的優(yōu)勢(shì)在實(shí)際清洗作業(yè)中得到了大量的應(yīng)用。

本文利用fluent對(duì)絕緣子沖洗過程中存在的偏心射流工況進(jìn)行仿真模擬，并在保證其打擊力的前提下，研究了臨界水平偏轉(zhuǎn)角的大小與入口壓力以及噴口直徑大小間的關(guān)系，為真實(shí)的清洗作業(yè)提供了一定的指導(dǎo)和理論參考。

2 高壓水沖洗機(jī)理

帶電水沖洗是利用一股流速很高的水柱對(duì)被沖洗的絕緣子進(jìn)行沖洗。能夠?qū)崿F(xiàn)帶電水沖洗，主要是利用水柱的沖擊力和絕緣性能兩個(gè)特性［4］。

1）水柱的沖擊力

水柱在離開水槍噴口時(shí)擁有相當(dāng)高的速度，當(dāng)它射到絕緣子表面時(shí)仍具有足夠的動(dòng)能，由此產(chǎn)生一定的沖擊力［5］，把沉積在絕緣子表面的污穢物質(zhì)沖刷掉。

2）水柱的絕緣性能

水是帶電作業(yè)中應(yīng)用的一種液體介質(zhì)，在帶電水沖洗中，水柱具有一定的絕緣性能，為提高水柱的絕緣性可采用蒸餾水［6］。因此蒸餾水可以作為主絕緣或組合絕緣中的一部分使用。

高壓水射流對(duì)污垢的沖洗過程頗為復(fù)雜，它主要涉及到水在污垢內(nèi)滲透、裂紋的擴(kuò)散、壓縮與剪切破碎、成坑和水楔作用造成的大規(guī)模裂縫擴(kuò)張等復(fù)雜過程［7］。Adler 認(rèn)為水射流去除表面污垢的機(jī)理主要由四個(gè)破壞模型組成：直接變形、應(yīng)力波傳播、測(cè)流沖擊和水力滲透［8］。直接變形和應(yīng)力波傳遞導(dǎo)致了污垢初始裂紋的產(chǎn)生，而測(cè)流沖擊和水力滲透使得現(xiàn)有的裂紋不斷擴(kuò)大并最終達(dá)到污垢脫落的效果［9～10］。通過對(duì)水射流清理的機(jī)理分析可知，能否對(duì)絕緣子進(jìn)行有效清理的關(guān)鍵在于水柱所攜帶的動(dòng)壓是否滿足相應(yīng)的污垢清洗壓力的要求，因此水柱在絕緣子上所產(chǎn)生的有效壓力區(qū)是絕緣子水沖洗的關(guān)鍵區(qū)域，而打擊力是水柱動(dòng)壓在絕緣子壁面的直接反映［11］。

3 模型的建立

本文所研究的絕緣子為單群盤式絕緣子，利用solidworks建立了如圖1所示的三維流場(chǎng)區(qū)域，靶距為b=3000mm，沖洗仰角為α=20°［12］，水平偏轉(zhuǎn)角為β。采用ICEM進(jìn)行六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的劃分，并在噴嘴和絕緣子等關(guān)鍵部位進(jìn)行了局部加密［13］，提高了網(wǎng)格的整體質(zhì)量，既在一定程度上保證了仿真的效率，又為仿真結(jié)果的精度提供了可靠的保障［14］。

4 模型正確性的驗(yàn)證

當(dāng)水平偏轉(zhuǎn)角為0°時(shí)，在fluent 中將噴嘴的入口壓力設(shè)為4MPa，選用VOF 模型以及Realiz?ableκ-ε模型進(jìn)行仿真，得到的速度云圖如圖2 所示，仿真所得到的結(jié)果與高壓水射流的結(jié)構(gòu)基本一致，即流體在剛離開噴嘴的一段距離內(nèi)形成了一個(gè)錐形的等速核心區(qū)，隨著距離的增大以及卷入的空氣量的增加，射流的邊界逐漸變寬，速度逐漸降低［15］，初步驗(yàn)證了模型的正確性。

圖1 三維流體域的工程

圖2 入口壓力為4MPa時(shí)豎直截面上的速度云圖

根據(jù)伯努利方程在忽略噴嘴中的能量損失以及勢(shì)能的變化可以得到水射流出口流速的簡(jiǎn)化表達(dá)式［16］：

式中，v 為出口速度，m/s；p為射流壓力，MPa。

通過式（1）計(jì)算所得理論的出口速度為89.4m/s，根據(jù)圖2 所示的速度云圖可知仿真所得到的噴嘴出口速度為88.7m/s，誤差為0.78%，仿真結(jié)果與理論計(jì)算值相當(dāng)接近，進(jìn)一步證明了該模型的正確性。

5 仿真結(jié)果的處理分析

根據(jù)GB/T 13395-2008《電力設(shè)備帶電水沖洗導(dǎo)則》中如表1 所示的不同水沖洗方式下的噴口直徑大小，本文針對(duì)絕緣子帶電水沖洗小水沖、中水沖、大水沖三種情形選擇出口直徑d 為3mm、5mm、8mm的噴嘴。

表1 不同水沖洗方式下的噴口直徑

在不同水平偏轉(zhuǎn)角以及不同的進(jìn)口壓力下絕緣子壁面所受的打擊力F（N）的分布如下所示。

表2 3mm噴嘴的打擊力F（N）的仿真數(shù)據(jù)

表3 5mm噴嘴打擊力F（N）的仿真數(shù)據(jù)

表4 8mm噴嘴打擊力F（N）的仿真數(shù)據(jù)

從上表可以看出在偏轉(zhuǎn)角為0～0.8°的范圍內(nèi)，相同入口壓力的打擊力在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，而在1.0°～1.4°出現(xiàn)了明顯的下降，利用Matlab 對(duì)相同壓力入口的每組數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線的擬合，首先通過最小二乘法對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行樣條曲線擬合，再對(duì)每一組的數(shù)據(jù)中偏轉(zhuǎn)角為0°、0.2°、0.4°、0.6°、0.8°進(jìn)行直線擬合。該直線與擬合所得的樣條曲線的交點(diǎn)即為打擊力開始持續(xù)下降的臨界點(diǎn)，該點(diǎn)的橫坐標(biāo)值即為臨界水平偏轉(zhuǎn)角。該點(diǎn)的縱坐標(biāo)即為絕緣子在該工況下的平均打擊力。噴嘴直徑為3mm、5mm、8mm 所得到的擬合結(jié)果分別如圖3、4、5 所示。

由圖3、4、5 可以看出，臨界水平偏轉(zhuǎn)角在噴嘴直徑大小相同時(shí)，隨入口壓力的增大而減小；在入口壓力保持不變時(shí)，臨界水平偏轉(zhuǎn)角隨著噴嘴直徑的大小增大而減小。這是由于增大入口壓力或增大噴嘴直徑，在射流長度相同時(shí)，水柱橫截面的直徑增大，在逐漸增大噴嘴的水平偏轉(zhuǎn)角時(shí)，橫截面積大的水柱首先偏離出絕緣子壁面。

圖3 噴嘴直徑為3mm入口壓力為1Mpa、2Mpa、3Mpa、4Mpa時(shí)的擬合圖像

圖4 噴嘴直徑為5mm入口壓力為1Mpa、2Mpa、3Mpa、4Mpa時(shí)的擬合圖像

圖5 噴嘴直徑為8mm入口壓力為1Mpa、2Mpa、3Mpa、4Mpa時(shí)的擬合圖像

根據(jù)圖3、4、5 擬合曲線圖可以得到直徑為3mm、5mm、8mm 噴口的臨界偏轉(zhuǎn)角隨入口壓力的變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 臨界偏轉(zhuǎn)角的變化趨勢(shì)

由圖6 可以清楚地看出臨界偏轉(zhuǎn)角度隨著入口壓力的增大而減小，其變化率隨噴口直徑的增大而增大；當(dāng)入口壓力大小相同時(shí)，臨界偏轉(zhuǎn)角度隨噴口直徑的增大而減小。因此，在實(shí)際沖洗作業(yè)時(shí)中使用大水沖洗方式或選擇較高的入口壓力時(shí)應(yīng)該適當(dāng)減少噴嘴在水平面的偏轉(zhuǎn)角度，避免了因水平偏轉(zhuǎn)角度過大而引起的無效沖洗。

根據(jù)圖3、4、5 擬合曲線圖可以看出臨界打擊力的大小可以近似的看作在臨界水平偏轉(zhuǎn)角度內(nèi)的平均打擊力，水射流的臨界打擊力隨入口壓力的變化趨勢(shì)如圖7所示。

圖7 打擊力隨入口壓力的變化趨勢(shì)

從圖7 可以看出，水射流對(duì)絕緣子壁面的打擊力隨著入口壓力的增大而增大，且隨著噴口直徑的增大，打擊力隨入口壓力的增長率也增大；當(dāng)入口壓力相同時(shí)，噴口直徑的增大，使得水流通過噴口的流量增大，即在速度改變量大致相同時(shí)，增大了單位時(shí)間內(nèi)打擊到絕緣子壁面的水射流的質(zhì)量，導(dǎo)致打擊力的大幅度增大。

6 臨界水平偏轉(zhuǎn)角的多項(xiàng)式擬合

將各工況下所得的臨界偏轉(zhuǎn)角度大小導(dǎo)入Matlab 中，調(diào)用cftool，設(shè)置目標(biāo)多項(xiàng)式的次數(shù)為兩次，擬合結(jié)果如圖8 所示。該多項(xiàng)式擬合的擬合優(yōu)度R2 達(dá)到了0.9975，具有很高的擬合精度，擬合所得的多項(xiàng)式函數(shù)為

A 為臨界水平偏轉(zhuǎn)角度；D 為噴口直徑，3mm ≤D ≤8mm；P為入口壓力1MPa ≤P ≤4MPa。

圖8 臨界水平偏轉(zhuǎn)角擬合結(jié)果

7 結(jié)語

1）臨界偏轉(zhuǎn)角度隨著入口壓力的增大而減小，其變化率隨噴口直徑的增大而增大，當(dāng)入口壓力大小相同時(shí)，臨界偏轉(zhuǎn)角度隨噴口直徑的增大而減小；

2）水射流對(duì)絕緣子壁面的打擊力隨著入口壓力的增大而增大，且隨著噴口直徑的增大，打擊力隨入口壓力的增長率也增大，當(dāng)入口壓力相同時(shí)，噴口直徑的增大增大；

3）根據(jù)臨界水平偏轉(zhuǎn)角關(guān)于入口壓力和噴口直徑的多項(xiàng)式，可以計(jì)算出壓力在1MPa～4MPa，噴口直徑在3mm～8mm任一工況下的臨界偏轉(zhuǎn)角度。