本發(fā)明涉及導線覆冰增長計算技術領域，更為具體地說，涉及一種導線覆冰增長模擬計算方法及系統(tǒng)。

背景技術：

架空輸電線路的覆冰輕則引起線路過載荷以及導線舞動等危害，重則致使斷線、倒塔，以致電網(wǎng)癱瘓。由此可見，架空輸電線路覆冰嚴重地影響了輸電網(wǎng)的可靠性，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來了巨大的威脅。由于輸電線路覆冰主要受氣象因子的影響，因此從氣象因子方面討論輸電線路覆冰規(guī)律以及研究大氣候背景下的輸電線路覆冰預測技術具有十分重要的意義。

覆冰增長機理研究的一般思路是以氣象數(shù)據(jù)為依據(jù)，根據(jù)覆冰的熱力學過程，建立理論模型，根據(jù)理論模型仿真就能夠預測線路或人工構(gòu)筑物冰荷載增長趨勢。這方面的研究工作經(jīng)過多年的發(fā)展形成了許多基于氣象數(shù)據(jù)針對線路進行覆冰計算的公式和模型仿真。但所有這些被提出或正在使用的模型或公式都不能充分表明其完備性，因為這些模型在預測同一氣象條件下產(chǎn)生的冰重時會出現(xiàn)相差較大的預測結(jié)果。

由于模型預測與實際測量間的較大差異，所以直到現(xiàn)在多數(shù)模型仍在不斷研究和完善之中。由于沒有常規(guī)和標準的導線覆冰觀測，因此，研究導線覆冰增長模擬計算顯然是必要的，獲取更加精確的導線覆冰增長計算方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種導線覆冰增長模擬計算方法及系統(tǒng)，對導線覆冰增長進行模擬，實現(xiàn)導線覆冰的預測。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供如下技術方案：

本發(fā)明提供的一種導線覆冰增長模擬計算方法，所述方法包括：

獲取導線類型、導線直徑、風速、風向、氣溫、空氣密度和氣壓數(shù)據(jù)，并記錄模擬時間；

進行計算區(qū)域網(wǎng)格劃分，并用控制方程計算出圓形繞流后渦的脫落及其氣動特性，以及對算法及邊界條件的處理；

計算水滴的運動軌跡及局部碰撞率；

計算表面水膜運動和覆冰密度；

計算覆冰體積，借助邊界移動技術，得到新的覆冰表面，完成覆冰結(jié)構(gòu)構(gòu)造。

優(yōu)選的，上述導線覆冰增長模擬計算方法中，所述方法還包括：

生成覆冰厚度增長趨勢曲線和導線覆冰表面冰形圖，并進行展示。

基于本發(fā)明提供的導線覆冰增長模擬計算方法，本發(fā)明還提供了一種導線覆冰增長模擬計算系統(tǒng)，包括：

參數(shù)錄入模塊，用于獲取導線類型、導線直徑、風速、風向、氣溫、空氣密度和氣壓數(shù)據(jù)，并記錄模擬時間；

流場計算模塊，用于完成計算區(qū)域網(wǎng)格劃分，并用控制方程準確計算出圓形繞流后渦的脫落及其氣動特性，以及對算法及邊界條件的處理；

覆冰增長計算模塊，用于完成表面水膜運動計算和覆冰密度計算；

覆冰結(jié)構(gòu)構(gòu)造循環(huán)計算模塊，計算覆冰體積，借助邊界移動技術，得到新的覆冰表面，完成覆冰結(jié)構(gòu)構(gòu)造。

優(yōu)選的，上述導線覆冰增長模擬計算系統(tǒng)中，所述系統(tǒng)還包括：

數(shù)據(jù)圖形顯示模塊，用于生成覆冰厚度增長趨勢曲線和導線覆冰表面冰形圖，并進行展示。

優(yōu)選的，上述導線覆冰增長模擬計算系統(tǒng)中，所述系統(tǒng)還包括：

時間接口模塊，用于輸入所述模擬時間；

導線參數(shù)接口模塊，用于輸入所述導線類型和導線直徑數(shù)據(jù)；

風速參數(shù)接口模塊，用于輸入所述風速和風向數(shù)據(jù)；

氣溫參數(shù)接口模塊，用于輸入氣溫數(shù)據(jù)；

氣壓參數(shù)接口模塊，用于輸入空氣密度和氣壓數(shù)據(jù)。

本發(fā)明提供的導線覆冰增長模擬計算方法及系統(tǒng)，完成了導線覆冰過程中過冷卻水滴碰撞導線的數(shù)值計算，最終獲得過冷卻水滴局部碰撞位置，實現(xiàn)對導線覆冰過程的模擬。通過對不同覆冰影響因素的計算，總結(jié)了覆冰強度、局部碰撞率與氣溫、風速、水滴直徑之間的相互關系，實現(xiàn)導線覆冰的預測。利用輸電線路走廊基礎地理信息數(shù)據(jù)、歷史和氣象數(shù)據(jù)，在導線覆冰過程數(shù)值仿真模型建立的基礎上，計算分析了覆冰過程中過冷卻水滴碰撞導線表面時，氣溫、風速、水滴直徑等對覆冰強度和局部碰撞率的影響程度，進而完成導線覆冰的預測災害發(fā)展趨勢，并得出診斷建議，為輸電線路覆冰檢測提供參考依據(jù)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，對于本領域普通技術人員而言，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。

圖1是本發(fā)明實施例提供的導線覆冰增長模擬計算方法的結(jié)構(gòu)流程圖；

圖2是本發(fā)明實施例一提供的導線覆冰增長模擬計算系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例二提供的導線覆冰增長模擬計算系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明實施例提供的導線覆冰增長模擬計算方法及系統(tǒng)，對導線覆冰增長進行模擬，實現(xiàn)導線覆冰的預測。

為了使本技術領域的人員更好地理解本發(fā)明實施例中的技術方案，并使本發(fā)明實施例的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例中的技術方案作進一步詳細的說明。

參考附圖1，該圖示出了本發(fā)明實施例提供的導線覆冰增長模擬計算方法的結(jié)構(gòu)流程，所述方法主要包括以下步驟：

S101：獲取導線類型、導線直徑、風速、風向、氣溫、空氣密度和氣壓數(shù)據(jù)，并記錄模擬時間。

導線類型、導線直徑、風速、風向、氣溫、空氣密度和氣壓是影響導線覆冰的主要因素，通過將導線類型、導線直徑、風速、風向、氣溫、空氣密度和氣壓結(jié)合在一起由于提高導線覆冰增長模擬的準確性。未能夠更加準確的去模擬預測導線覆冰發(fā)展趨勢，記錄模擬時間。

S102：進行計算區(qū)域網(wǎng)格劃分，并用控制方程計算出圓形繞流后渦的脫落及其氣動特性，以及對算法及邊界條件的處理。

準確性將直接關系到結(jié)冰區(qū)和結(jié)冰量計算的準確性，該計算區(qū)域中，覆冰區(qū)域外部采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在緊貼導線表面處，局部加密網(wǎng)格作為附面層區(qū)域O形網(wǎng)格并在結(jié)冰區(qū)域采用動網(wǎng)格技術。

本研究基于二維Navier-Stocks控制方程，并對控制方程進行雷諾平均，得到如下形式的控制方程組：

式中：ρ為空氣密度；u、v分別為流場沿x、y軸方向的速度分量；p為壓力；μ為空氣分子黏性系數(shù)；為雷諾應力。由于模擬圓形截面結(jié)冰的物理過程，以及準確計算出圓形繞流后渦的脫落及其氣動特性，其中中湍流模型采用k-ω方程模型。

采用以速度和壓力作為基本變量的計算方法對流場進行求解，將動量方程與壓力修正值方程結(jié)合起來，求解壓力耦合方程。空氣繞流流場數(shù)值模擬中所使用的幾種邊界條件如下：

1)來流邊界條件：邊界上的速度以速度入口確定自由來流速度，壓力采用二階外推；

2)出流邊界條件：

3)壁面邊界條件：采用無滑移邊界條件，壁面處速度為零，壓力p法向一階導數(shù)為0，k和ε使用壁面函數(shù)處理。

S103：計算水滴的運動軌跡及局部碰撞率。

根據(jù)Messinger B.L.等關于水滴繞二維物體運動的研究，得到的運動軌跡離散項方程為：

式中：K為水滴慣性參數(shù)；Re為相對運動雷諾數(shù)；w_x、w_y為水滴的速度；r為水滴半徑；D為導線直徑；V₀為來流速度；ρ_w為水的密度；C_D為曳力系數(shù)。

表征水滴的撞擊特性的參數(shù)有總碰撞率和局部碰撞率?？偱鲎猜史从乘蔚膽T性積聚效率，確定出撞擊水量沿物面的分布后，就可以知道沿物面形成冰的形狀。對于離散相水滴撞擊水量沿物面的分布的研究必須對反映微元表面的水收集能力的局部碰撞率進行計算。本文基于離散相模型，對導線迎風面前的過冷卻水滴以w_x＝μ、w_y＝v＝0撞擊導線表面，同時借助UDF功能實現(xiàn)二次開發(fā)，獲得了水滴局部碰撞率。然而，在模型計算中，兩水滴之間的位置是隨機的，因此需將反饋的水滴位置插值到導線網(wǎng)格節(jié)點上，最終計算局部碰撞率。

根據(jù)定義可得局部碰撞率的公式為：

式中：dl為與微元表面上、下兩條小腳軌跡的水滴原始縱坐標之差；dL為微元表面上、下界限間的表面長度。

S104：計算表面水膜運動和覆冰密度。

在水膜的運動及其厚度計算前，需采取假設：

1)覆冰表面的水視為一層薄水膜；2)每個微元內(nèi)的水膜厚度與水膜的面積相比非常薄，可將其視為平板上的層流；3)水膜的流動視為定常，且認為水膜的厚度在相鄰時間步長上無突變。

在高雷諾數(shù)下，圓柱表面的水膜將于分離點開始分為兩股朝相異方向運動的水流。影響水膜運動方向的力僅有空氣阻力和重力，分別表示為：

如果V_t>V_g，水膜將向上運動；反之，水膜將向下運動。表面水膜的運動方向為從i微元流向i+1微元，當空氣阻力大于重力時，針對一特定微元，如果忽略脫落水的影響，收集水的總質(zhì)量為碰撞水滴的質(zhì)量m_i和前一微元未凍結(jié)的水滴質(zhì)量m_r。如果知道了水膜的厚度，則可以估算出水膜的速度。單位導線表面流量為

因此，水膜的平均速度為

式中d為水膜的厚度。

覆冰的密度與空氣溫度、風速、水滴大小、空氣中液水含量以及捕獲物的大小、形狀、覆冰物體表面動態(tài)熱平衡過程等多種因素有關。選擇了Jone&Macklin模型。

式中：R_d＝-rV/T：r為水滴半徑；V為風速；T為覆冰表面溫度。

S105：計算覆冰體積，借助邊界移動技術，得到新的覆冰表面，完成覆冰結(jié)構(gòu)構(gòu)造。

根據(jù)以上步驟計算，結(jié)合覆冰增長的計算，求得計算覆冰體積，借助邊界移動技術，得到新的覆冰表面，完成覆冰結(jié)構(gòu)構(gòu)造。邊界移動技術可以借助Level set方法。

為進一步優(yōu)化技術方案，本發(fā)明實施例提供的導線覆冰增長模擬計算方法還包括：生成覆冰厚度增長趨勢曲線和導線覆冰表面冰形圖，并進行展示。

為更加方便導線覆冰過程模擬結(jié)果的查看，生成覆冰厚度增長趨勢曲線和導線覆冰表面冰形圖，并進行展示，一般通過顯示屏進行顯示。

基于本發(fā)明實施例提供的導線覆冰增長模擬計算方法，本發(fā)明實施例還提供了一種導線覆冰增長模擬計算系統(tǒng)，用于導線覆冰增長模擬計算，具體結(jié)構(gòu)參考附圖2。主要包括：

參數(shù)錄入模塊21，用于獲取導線類型、導線直徑、風速、風向、氣溫、空氣密度和氣壓數(shù)據(jù)，并記錄模擬時間。

流場計算模塊22，用于完成計算區(qū)域網(wǎng)格劃分，并用控制方程準確計算出圓形繞流后渦的脫落及其氣動特性，以及對算法及邊界條件的處理。

覆冰增長計算模塊23，用于完成表面水膜運動計算和覆冰密度計算。

覆冰結(jié)構(gòu)構(gòu)造循環(huán)計算模塊24，計算覆冰體積，借助邊界移動技術，得到新的覆冰表面，完成覆冰結(jié)構(gòu)構(gòu)造。

為進一步優(yōu)化技術方案，本發(fā)明實施例提供的導線覆冰增長模擬計算系統(tǒng)還包括：數(shù)據(jù)圖形顯示模塊25，用于生成覆冰厚度增長趨勢曲線和導線覆冰表面冰形圖，并進行展示。有助于模擬結(jié)果更方便的查看。

優(yōu)選的，參照附圖3，本發(fā)明實施例提供的導線覆冰增長模擬計算系統(tǒng)還包括：

時間接口模塊31，用于輸入所述模擬時間；

導線參數(shù)接口模塊32，用于輸入所述導線類型和導線直徑數(shù)據(jù)；

風速參數(shù)接口模塊33，用于輸入所述風速和風向數(shù)據(jù)；

氣溫參數(shù)接口模塊34，用于輸入氣溫數(shù)據(jù)；

氣壓參數(shù)接口模塊35，用于輸入空氣密度和氣壓數(shù)據(jù)。

如此，使數(shù)據(jù)的錄入更加準確，保證模擬過程進行的順利。時間接口模塊31、導線參數(shù)接口模塊32、風速參數(shù)接口模塊33、氣溫參數(shù)接口模塊34、氣壓參數(shù)接口模塊35分別將得到的參數(shù)數(shù)據(jù)輸入到流場計算模塊22、水滴碰撞軌跡計算模塊23、覆冰增長計算模塊24，并進行數(shù)據(jù)保存。

本發(fā)明提供的導線覆冰增長模擬計算方法及系統(tǒng)，完成了導線覆冰過程中過冷卻水滴碰撞導線的數(shù)值計算，最終獲得過冷卻水滴局部碰撞位置，實現(xiàn)對導線覆冰過程的模擬。通過對不同覆冰影響因素的計算，總結(jié)了覆冰強度、局部碰撞率與氣溫、風速、水滴直徑之間的相互關系，實現(xiàn)導線覆冰的預測。利用輸電線路走廊基礎地理信息數(shù)據(jù)、歷史和氣象數(shù)據(jù)，在導線覆冰過程數(shù)值仿真模型建立的基礎上，計算分析了覆冰過程中過冷卻水滴碰撞導線表面時，氣溫、風速、水滴直徑等對覆冰強度和局部碰撞率的影響程度，進而完成導線覆冰的預測災害發(fā)展趨勢，并得出診斷建議，為輸電線路覆冰檢測提供參考依據(jù)。

本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其它實施例的不同之處。

以上所述的本發(fā)明實施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限定。任何在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。