接觸網絕緣子帶電水沖洗的關鍵參數研究

張 霆，吳文海，藍 天，周小飛

（西南交通大學先進驅動節能技術教育部工程研究中心，四川 成都 610031）

1 引言

作為輸電線路的重要組成部分，接觸網絕緣子始終面臨著嚴重的污閃威脅［1］。為預防污閃事故的發生，對絕緣子進行清掃是一項不可忽視的鐵路維護工作。帶電水沖洗作為接觸網絕緣子清掃方式中最高效的方式得到了廣泛應用，同時也成為該領域的研究重點，利用CFD軟件對水沖洗過程中影響射流特性的關鍵參數進行研究具有重要的意義。

文獻［2］利用CFD方法研究了噴嘴內部結構參數對射流流場的影響；文獻［3］通過試驗對水射流噴嘴的能量損失的關鍵影響因素進行了研究；文獻［4］基于Fluent對新型導流式噴嘴與普通孔式噴嘴進行了仿真對比分析；文獻［5］利用CFD軟件對水射流擴孔噴嘴內部流場進行數值模擬；文獻［6］采用計算流體力學數值分析的方法，進行了三維旋轉噴射槍噴嘴結構的優化。以上對噴嘴的研究多為內流場，缺乏對外流場特別是較遠距離外流場的射流特性研究。文獻［7］對帶電水沖洗的水射流打擊力特性進行了研究；國內外相關文獻［8-10］對帶電水沖洗的沖洗方法和清洗效率等進行了試驗研究分析。以上研究對帶電水沖洗的方法、效率等進行了研究分析，做出了重要貢獻。

通過CFD軟件Fluent對水射流的外流場進行數值模擬，研究接觸網絕緣子水沖洗過程中噴嘴入口壓力、噴嘴出口直徑、風速等關鍵參數的影響，并通過水氣比結合噴嘴直徑、射流距離進行相關分析。

2 模型的建立

噴嘴的二維結構，如圖1所示。該圓錐形噴嘴的主要結構參數有：噴嘴入口直徑D，噴嘴收縮角α，噴嘴出口直徑d，噴嘴圓柱段長度與出口直徑的比值l d。噴嘴的結構參數對噴嘴內、外部流場的影響國內外已做過許多研究和實驗，發現收縮角α=13°，長徑比l d為（2～4）時性能最優［11-12］。這里涉及了多種出口直徑的噴嘴，有相同的收縮角α=13°，相同的長徑比l/d=2.5，主要研究的三種噴嘴的具體參數，如表1所示。

圖1 噴嘴的二維結構示意圖Fig.1 Two-Dimensional Structure Diagram of Nozzle

表1 噴嘴模型參數Tab.1 Nozzle Parameter

3 網格劃分

利用3D繪圖軟件Solidworks建立噴嘴及外部流域的三維模型，利用ICEM進行網格劃分，在噴嘴內部及噴嘴出口附近進行局部加密處理，網格劃分結果，如圖2所示。

圖2 噴嘴射流流場的網格模型Fig.2 Mesh Model of Jet Flow Field of Nozzle

4 邊界條件

噴嘴入口設為求解域的壓力入口邊界（Pressure Inlet），Y軸方向與噴嘴平行的一側外部流域面設為速度入口邊界（Velocity In?let），其它外部流域面為求解域的壓力出口邊界（Pressure Outlet），其值設為環境大氣壓力，其余表面為無滑移壁面邊界（Wall）。仿真模擬中湍流模型采用standardκ - ε模型，不考慮熱傳導，采用基于壓力的求解器，做穩態計算，氣液兩相流計算采用Mixture兩相流模型，設置空氣為主相，水為第二相。仿真中加入重力加速度的影響，在Y軸方向設置加速度為-9.81m/s2。迭代計算時，添加流量參數的監視窗口結合殘差值的監測判斷解的收斂。

5 流場仿真及結果分析

5.1 壓力的影響

5.1.1 壓力對射流速度的影響

以出口直徑8mm 的噴嘴為例，噴嘴入口壓力分別設定為1MPa、2MPa、3MPa。仿真得到8mm噴嘴不同入口壓力下的射流速度曲線，如圖3所示。

圖3 8mm噴嘴不同入口壓力下的射流速度曲線Fig.3 Jet Velocity Curves of 8 mm Nozzle under Different Inlet Pressures

由圖3可知，三種入口壓力下的噴嘴出口速度皆與其理論公式相對應。入口壓力越大，射流的初始速度越大，但初始速度隨著壓力增加而增加的值卻逐漸減小，說明有一個飽和趨勢。隨著水平距離的增大，射流速度逐漸減小，三種壓力下，10m處的射流仍保持了較高的速度，說明射流仍具有較好的密集性，具有良好的清洗效果。

5.1.2 壓力對水氣比的影響

水氣比為某一水平距離的水柱中水在水與空氣的混合體中所占的比值。絕緣子水沖洗有安全距離的要求，其實質是水沖洗時水柱是水與空氣的混合體，其中水是良好的導電體，空氣是良好的絕緣體，水占的比值越大，導電能力越好，要求的安全沖洗距離越遠。

以出口直徑8mm的噴嘴為例，改變噴嘴的入口壓力，分別設定為1MPa、2MPa、3MPa，得到不同距離不同壓力下的水氣比，結果見表2。

表2 8mm噴嘴不同距離不同壓力下的水氣比（%）Tab.2 Water-Air Ratio at Different Distance and Pressure of 8mm Nozzle（%）

結果顯示，水氣比在出口附近迅速衰減，約0.5m之后衰減程度趨于平緩。對于同一出口直徑的噴嘴，入口壓力增大，同一水平距離的水氣比稍有增加，但并不明顯，可見入口壓力不是影響水氣比的主要因素。

5.2 噴嘴出口直徑的影響

5.2.1 直徑對射流速度的影響

選擇噴嘴入口壓力為1MPa，改變噴嘴的出口直徑，噴嘴直徑分別為6mm、8mm、11mm。仿真得到入口壓力1MPa時不同出口直徑的射流速度曲線，如圖4所示。

圖4 入口壓力1MPa時不同出口直徑的射流速度曲線Fig.4 Jet Velocity Curves of Different Outlet Diameters at Inlet Pressure of 1MPa

結果表明，入口壓力一定時，噴嘴的出口直徑對出口附近的速度幾乎沒有影響。出口直徑對較遠距離的外流場射流速度的有一定影響，出口直徑增大，外流場的射流速度的衰減率減小，即直徑越大的噴嘴在同一水平距離處具有更大的射流速度。但結合入口壓力對射流速度的影響得知，相比于噴嘴直徑而言，入口壓力是影響射流速度的關鍵參數。因此，增加噴嘴的入口壓力是提高射流打擊力最有效的方法。

5.2.2 直徑對水氣比的影響

選擇噴嘴入口壓力為1MPa，改變噴嘴的出口直徑，噴嘴直徑分別為6mm、8mm、11mm。得到不同距離不同直徑下的水氣比結果，如表3所示。

表3 壓力1MPa時不同距離不同直徑下的水氣比（%）Tab.3 Water-Air Ratio at Different Distance and Pressure of 8mm Nozzle（%）

結果表明，入口壓力一定時，噴嘴的出口直徑越大，同一水平距離的水氣比有較為明顯的提升。相對于入口壓力而言，噴嘴出口直徑是影響射流水氣比的關鍵參數。因此，噴嘴直徑直接關系著安全沖洗距離，考慮到水氣比對帶電水沖洗安全性的影響，小直徑噴嘴適合較近距離沖洗，大直徑噴嘴適合較遠距離沖洗。

5.3 風速的影響

5.3.1 風速對射流軌跡的影響

分別選擇出口直徑6mm和8mm的噴嘴進行仿真實驗，風速分別設為2.5m/s、4.5m/s、6.5m/s，三種風速對應的入口壓力分別設為1MPa、2MPa、3MPa。風速皆垂直于速度入口邊界，射流距離3m處的水平偏移量結果，如表4所示。結果表明，當噴嘴直徑和入口壓力一致時，風速越大，射流在同一射流距離的水平偏移量越大，即對射流的直線性能影響越大；當噴嘴直徑和風速一致時，入口壓力越大，同一射流距離的水平偏移量會減小，即較大的壓力能夠提升射流的直線性能；當入口壓力和風速一致時，噴嘴直徑越大，同一射流距離的水平偏移量越小，即較大直徑的噴嘴有更佳的抗風能力。

表4 不同風速不同壓力下的射流水平偏移量（m）Tab.4 Horizontal Offset of Jet Flow at Different Wind Speed and Pressure（m）（a）6mm噴嘴

5.3.2 風速對射流速度的影響

以6mm噴嘴為例，設定入口壓力1MPa，風速分別為2.5m/s、4.5m/s、6.5m/s，所有風速皆垂直于Y軸，角度為風向與噴嘴出口方向的夾角。射流距離為3m時，不同風速下的射流速度曲線，如圖5所示。

圖5 射流距離3m時，不同風速下的射流速度曲線Fig.5 When the Jet Distance is 3m，the Jet Velocity Curve under Different Wind Speed

由圖5知，對于同一射流距離，三種風速下的射流速度均低于無風時的射流速度，風速角度90°時射流速度最小；風速2.5m/s時，射流速度減小得并不明顯，始終保持在40m/s以上，但隨著風速的增加，射流速度明顯減小，射流打擊力會隨之減小，因此，過大的風速會影響水沖洗的效果。

根據風速對射流軌跡和射流速度的影響綜合分析，建議盡量在風速低于2.5m/s的情況下進行沖洗作業。

5.4 絕緣子安全水沖洗

保持一定水柱長度是保證帶電水沖洗時人身安全的必要條件，研究對象為交流額定電壓27.5kV的電氣化鐵路接觸網絕緣子，GB 13395-1992［13］所規定的額定電壓（10～63）kV下的噴嘴與帶電體之間的安全距離按照小水沖（≤3mm）、中水沖（4～8）mm、大水沖（9～12）mm有不同的安全沖洗距離要求，分為接地與不接地兩種情況。設定入口壓力1MPa，接地時水氣比的定量分析，如表5所示。不接地時水氣比的定量分析，如表6所示。得到了不同直徑噴嘴對應安全距離下的水氣比，即滿足安全沖洗距離的最大水氣比。

表5 接地時水氣比定量分析Tab.5 The Quantitative Analysis of Water-Air Ratio when Grounding

表6 不接地時水氣比定量分析Tab.6 The Quantitative Analysis of Water-Air Ratio when Ungrounded

壓力對水氣比影響很小，可以忽略。對模擬數據進行數學分析，得到水氣比與噴嘴直徑、射流距離的經驗關系式：

式中：W1—接地時的水氣比；W2—不接地時的水氣比；d—噴嘴直徑；l—射流距離。

6 結論

（1）入口壓力及噴嘴直徑的增大都會帶來水射流速度及水氣比的增大。入口壓力是影響水射流速度的關鍵參數，噴嘴直徑是影響水射流水氣比的關鍵參數；增加入口壓力是提高射流打擊力最有效的方法，噴嘴直徑直接關系著安全沖洗距離；

（2）為提高水沖洗的直線性能及沖洗效果，建議盡量在風速低于2.5m/s或無風環境下進行沖洗且盡量增加噴嘴入口壓力以及選擇直徑較大的噴嘴；

（3）按照接地與不接地兩種情況得到了不同直徑噴嘴對于安全距離下的水氣比。并對數據進行公式擬合，得到了水氣比對應的經驗公式，通過改變噴嘴直徑與射流距離以保證安全的帶電水沖洗。