Impact of Inhomogeneous Ice Accretion on Conductor Aerodynamic Stability

Sintesi Tecnica: Impatto dell'Accrezione di Ghiaccio Inomogenea sulla Stabilità Aerodinamica dei Conduttori

Definizione del Problema
Il funzionamento stabile delle linee di trasmissione è critico per lo sviluppo socio-economico nazionale, tuttavia l'espansione delle reti elettriche attraversa sempre più terreni complessi soggetti a condizioni meteorologiche estreme. Il galloping indotto dal ghiaccio rimane una grave minaccia, capace di causare la rottura dei conduttori, il crollo delle torri e archi elettrici fase-fase. Mentre la letteratura esistente investiga ampiamente le caratteristiche aerodinamiche rispetto ai fattori ambientali (velocità del vento, turbolenza), ai parametri di formazione del ghiaccio (spessore, rugosità) e alle configurazioni dei conduttori (disposizioni a fascio), esiste una lacuna significativa nella ricerca riguardante la non uniformità delle forme di accrezione del ghiaccio. Poiché l'instabilità da galloping avviene tipicamente in condizioni di formazione del ghiaccio non uniforme, comprendere come l'asimmetria della distribuzione del ghiaccio influenzi la stabilità aerodinamica è essenziale per una valutazione accurata del rischio.

Metodologia
Questo studio impiega un approccio di simulazione numerica per investigare la stabilità aerodinamica dei conduttori sotto diversi gradi di non uniformità del ghiaccio.

• Modello Numerico: La ricerca utilizza il modello di turbolenza SST k-ω, selezionato per la sua capacità di risolvere accuratamente sia il campo di flusso principale che la regione vicino alla parete, fondamentale per simulare i campi di scia attorno ai conduttori ghiacciati. Le equazioni di continuità e quantità di moto, insieme alle equazioni di trasporto per l'energia cinetica turbolenta ($k$) e il tasso di dissipazione specifica ($\omega$), vengono risolte.
• Strategia di Mesh: Viene implementato un metodo di mesh overset per catturare efficientemente i parametri aerodinamici attraverso vari angoli di attacco. Il dominio è diviso in una mesh di sfondo e una mesh di primo piano raffinata (che copre il conduttore e un raggio di 5D), collegate tramite interfacce di confine.
• Parametri di Simulazione: L'accrezione di ghiaccio a forma di crescente è modellata come oggetto della ricerca. Le simulazioni coprono angoli di attacco del vento da 0° a 180° (sfruttando la simmetria) con intervalli di 15°. Lo studio varia i diametri dei conduttori (20 mm e 30 mm), gli spessori del ghiaccio (30% e 60% del diametro) e gli angoli di formazione del ghiaccio (90°, 120°, 150°, 180°).
• Criteri di Stabilità: La stabilità aerodinamica è valutata utilizzando due meccanismi stabiliti:
  1. Meccanismo di Den Hartog: Valuta la stabilità del galloping verticale basandosi sulla condizione $C_D + \frac{\partial C_L}{\partial \alpha} < 0$.
  2. Meccanismo di Nigol: Valuta la stabilità del galloping torsionale basandosi sulla condizione $\frac{\partial C_M}{\partial \alpha} < 0$.
• Coefficiente di Non Uniformità: Un parametro specifico, il coefficiente di non uniformità del ghiaccio ($a$), è definito come $a = (b/\gamma) \times 100\%$, dove $b$ è il rapporto tra lo spessore del ghiaccio e il diametro del conduttore e $\gamma$ è l'angolo di formazione del ghiaccio. Questo coefficiente quantifica il grado di asimmetria della distribuzione del ghiaccio.
• Validazione: Il modello di simulazione è validato rispetto ai dati sperimentali del Riferimento [17] (diametro del conduttore 26,82 mm, spessore del ghiaccio 6,7 mm, velocità del vento 10 m/s). I risultati della simulazione per i coefficienti di resistenza, portanza e momento mostrano un'alta coerenza con i trend sperimentali, confermando l'affidabilità del modello.

Risultati Chiave
L'analisi numerica produce diverse scoperte specifiche riguardanti la relazione tra la non uniformità del ghiaccio e la stabilità aerodinamica:

• Coefficienti Aerodinamici: Al diminuire dell'angolo di formazione del ghiaccio (aumento della non uniformità), l'intervallo di variazione del coefficiente di portanza aumenta significamente. Il coefficiente di resistenza aumenta generalmente con lo spessore del ghiaccio, mentre il coefficiente torsionale mostra un lieve aumento della variazione al diminuire degli angoli di formazione del ghiaccio e all'aumentare dello spessore.
• Instabilità di Den Hartog: Lo studio trova una correlazione diretta tra il coefficiente di non uniformità del ghiaccio e l'intervallo di angoli di attacco del vento suscettibili al galloping di Den Hartog.
  • Per un conduttore da 20 mm con spessore di ghiaccio pari a 0,3D, l'aumento del coefficiente di non uniformità ha ampliato l'intervallo di angoli del vento instabili da 0° a 3°.
  • Per lo stesso conduttore con spessore di ghiaccio pari a 0,6D, l'intervallo si è ampliato da 1° a 6°.
  • Per un conduttore da 30 mm, l'effetto è stato più pronunciato: con uno spessore di 0,3D, l'intervallo è passato da 4° a 19°; con uno spessore di 0,6D, si è espanso da 5° a 21°.
  • Conclusione: Un coefficiente di non uniformità più elevato amplia l'intervallo degli angoli di attacco del vento suscettibili al galloping verticale, esacerbando l'instabilità aerodinamica. Diametri dei conduttori maggiori sono inoltre correlati a un intervallo più ampio di angoli di galloping di Den Hartog.
• Instabilità di Nigol: Al contrario del meccanismo di Den Hartog, l'intervallo degli angoli di attacco del vento suscettibili al galloping di Nigol (torsionale) (principalmente 30°–180°) non mostra cambiamenti evidenti al variare dei coefficienti di non uniformità del ghiaccio. Lo studio conclude che non vi è alcuna relazione significativa tra il coefficiente di non uniformità del ghiaccio e l'intervallo di angoli di galloping di Nigol.

Significato e Rivendicazioni
L'articolo sostiene di chiarire l'impatto specifico della non uniformità della forma del ghiaccio sul galloping dei conduttori, un fattore precedentemente sotto-ricercato. Introducendo il coefficiente di non uniformità del ghiaccio, lo studio fornisce un quadro quantitativo per analizzare come la distribuzione asimmetrica del ghiaccio alteri la stabilità aerodinamica. Il contributo primario è la dimostrazione che l'aumento della non uniformità espande significativamente la finestra di instabilità per il galloping verticale (meccanismo di Den Hartog), ma ha un impatto trascurabile sul galloping torsionale (meccanismo di Nigol). Questi risultati offrono una base teorica per migliorare i sistemi di allerta precoce e le strategie di mitigazione per i disastri indotti dal ghiaccio nelle reti elettriche, particolarmente per le linee che attraversano ambienti ostili dove la formazione del ghiaccio non uniforme è prevalente.