絕緣子在偏心沖洗時有效沖洗面積的研究?

（西南交通大學先進驅動節能技術教育部工程研究中心 成都 610031）

1 引言

帶電水沖洗指的是在保證電路正常通電的狀態下利用高壓水射流對其外部絕緣設備表面的污穢顆粒進行清洗［1］。帶電水沖洗高效率、低成本等優勢在一定程度上滿足了經濟發展的需要［2～3］。污穢顆粒脫離絕緣子表面的方式主要有滑動脫落和滾動脫落兩種方式，根據國外學者Mehdi Soltani&Goodarz Ahmadi的研究，在顆粒脫離過程中滾動脫附方式占主導且滾動脫附所需的臨界水流速度小于滑動脫附［4］，因此大于滑動脫附所需的臨界水流速度的速度區域即為有效清洗面積，而有效沖洗面積的大小直接影響到水沖洗的效率。

2 污穢顆粒的脫附機理

根據JKR顆粒脫附模型可知，使得一個球體顆粒從其吸附的平面脫落所需要的最小力［5］為

其中，d為球體顆粒的直徑大小；WA為附著力的熱力學工。

污穢顆粒的脫附主要有滑動脫附和滾動脫附兩種方式，其受力分析如圖1所示［4］。

圖1 球形顆粒黏附在光滑表面的幾何特征

2.1 滾動脫附

如圖1所示，一個顆粒受到一個外力Ft在O點所產生的力矩大于由顆粒的黏附力所產生的力矩，使得顆粒通過滾動脫附的方式脫離光滑平面，即

式中，Ft為作用在顆粒上的切向外力；α0為顆粒中心到平面的距離；Mt為是表面壓力相對顆粒球心的轉矩；FL為提升力；Fp為顆粒的黏附力。

當采用流體沖洗表面所粘附的顆粒時，靜止顆粒受到的流體剪切力由O'Neill計算得［6］：

式中，u為粒心處的流體速度；d為顆粒直徑；μ為流體粘度；f為為壁面效應的校正因子；CN為拉力校正因子；C為Cunningham校正因子。

把JKR模型中的式（1）代入顆粒的子層模型中并聯立式（2）和式（3）可得到顆粒從平面滾動脫附所需的臨界剪切速度ur［4］，

式中，ρ為流體的密度。

2.2 滑動脫附

當粒子所受到的外力大于其最大靜摩擦力時，顆粒通過滑動脫附的方式脫離平面，即

式中，Ft為作用于顆粒且與平面平行的外力；k為靜摩擦因子。

運用JRK模型，顆粒發生滑動脫附的臨界剪切速度［4］為

3 臨界剪切速率的計算

絕緣子污穢的粒度分析顯示，污穢粒徑大致呈正態分布，九成以上污穢顆粒的粒徑均小于50μm［7］，崔燕通過自由沉降實驗發現，沉積顆粒的平均粒徑為20μm［8］。而附著在絕緣子上的污穢中主要的不溶物成分都是CaSO4和SiO2［9～10］，因此該研究主要以成份為CaSO4和SiO2且粒徑d為20μm的顆粒為研究對象進行計算分析。查閱相關資料［11～12］可得

將以上值代入式（4）和式（6）中，分別求得兩種脫附方式流體在粒心處的臨界剪切速度為ur=0.0386m/s，us=0.5171m/s。流體在壁面的速度為0，根據剪切速率的定義可以求得兩種情況下的臨界剪切速率為3860s-1和51710s-1。

4 模型的建立與網格的劃分

圖2 三維流體域的模型圖

利用solidworks建立如圖2所示的噴嘴仰角為20°［13］，靶距b為3000mm的三維流體域實體，噴嘴的水平偏轉角為α。采用如圖3所示的錐形噴管，該錐形噴嘴的主要結構參數為噴嘴的入口直徑D，噴嘴的內錐角β，噴嘴出口直徑d=5mm，噴嘴圓柱段長度為l，噴嘴接入段的長度n。其他參數分別為噴嘴的內錐角β為13°［14］，l/d=3，n/D=4，D=2d［15］。在建模時使得噴嘴的出水面與其軸心垂直，有效地避免了水柱的過度發散。

圖3 噴嘴模型

為了提高仿真結果的可靠性以及計算效率，同時也要保證網格對復雜模型的自適應性，該研究采用如圖4所示的混合網格。提高了網格對復雜曲面的適應性，同時也在一定程度上保證了網格的質量。

圖4 流體域網格

5 邊界條件的設置

將水的入口邊界設置為壓力入口，出口邊界設置為壓力出口，并設置好與入口壓力相關的湍流強度以及水力直徑。在fluent中選擇vof模型中的Re?alizable k-ε方程模型，壓力速度解耦采用piso算法，動量采用quick算法，能量及湍流參數的求解采用二階迎風格式，在保證計算精度的前提下，盡可能地提高了計算速度。

6 仿真結果及分析

根據GB/T 13395-2008《電力設備帶電水沖洗導則》中不同水沖洗方式下的噴口直徑大小，針對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。

由于絕緣子的壁面大多是由很多曲面組成的一個復雜的旋轉曲面，不能直接從仿真結果中直接讀出絕緣子近壁面的剪切速率的大小，因此將仿真結果導入cfd-post中做如下處理：

1）在絕緣子壁面創建一個如圖5所示的壁面剪切云圖，并將云圖分為兩個顏色等級，僅顯示大于51.71pa的區域，如圖5所示；

2）利用剪切應力大于51.71pa的區域創建一個如圖7所示的面域，并計算該面的面積大小即為有效沖洗面積的大小。

圖5 絕緣子壁面剪切應力云圖

圖6 大于51.71MPa的剪切應力云圖

圖7 剪切應力大于51.71MPa的面域

由前文可得，滾動脫附的臨界剪切速率為3860s-1，滑動脫附的臨界剪切速率為51710s-1，為確保沖洗效果，因此選用更難達到的滑動脫附方式的臨界剪切速率作為有效沖洗面積的判斷依據。而根據剪切速率與剪切應力的關系：

式中，τ為剪切應力，Pa；s為剪切速率，s-1；η為動力粘度，Pa·s。

表1 噴口為3mm水射流的有效沖洗面積（cm2）

水在20°C時的動力粘度為1.01×10-3Pa·s，代入式（11）可得，滑動脫附所需的臨界剪切應力為51.71Pa，因而在cfd-post中絕緣子壁面剪切應力大于51.71Pa的區域就是有效沖洗區域。

通過利用cfd-post完成后處理，小水、中水、大水沖洗方式下的有效沖洗面積仿真結果如圖8～10所示。

圖8 3mm有效清洗面積的變化

表2 噴口為5mm的有效沖洗面積（cm2）

圖9 5mm噴嘴有效沖洗面積的變化

從圖8、9可以看出，利用小水和中水的沖洗方式對絕緣子壁面進行沖洗時，隨著噴嘴水平偏轉角度的增大，有效沖洗面積先增大然后減小；且隨著壓力的增大，有效沖洗面積的隨偏轉角度變化的轉折點更靠近小的水平偏轉角度。

表3 噴嘴為8mm的有效沖洗面積（cm2）

顯然，圖10所示的出口直徑為8mm噴嘴的有效面積的變化趨勢與3mm和5mm的噴嘴在較小的水平偏轉角度下的變化完全不同，在較小的水平偏轉角度時，8mm噴嘴的有效沖洗面積基本上維持不變，進一步增大水平偏轉角，有效沖洗面積才隨之減少。這是由于噴嘴直徑為8mm的大水沖洗方式在對該絕緣子的清洗作業上已經達到了“飽和”狀態，在該工況下，增大入口壓力的大小并不能使有效沖洗面積有明顯的提高。

圖10 8mm噴嘴的有效沖洗面積

7 結語

本文利用fluent對小水、中水、大水三種方式的絕緣子偏心水沖洗下的有效沖洗面積進行了仿真計算，對仿真結果進行了對比分析，得到了以下結論：

1）小水和中水沖洗方式下，有效沖洗面積隨著入口壓力的增大而增大，但其增長幅度會隨著壓力的增大而減小；

2）當入口壓力一定時，隨著水平偏轉角度的增大，絕緣子傘裙下表面上的有效沖洗面積增大，而由水射流回轉水和濺射水沖洗的卷源自傘裙上表面和內盤柱上的有效沖洗面積減少的幅度增大，從而導致了有效沖洗的總面積先增大后減小；

3）用大水沖洗的方式對該型號的絕緣子進行水沖洗時，會使得在絕緣子傘裙下表面的有效沖洗面積達到飽和，導致了隨著水平偏轉角度的增大，有效沖洗面積呈持續下降狀態。