Impact of Inhomogeneous Ice Accretion on Conductor Aerodynamic Stability

技术摘要：不均匀积冰对导线气动稳定性的影响

问题陈述
输电线路的稳定运行对于国家社会经济发展至关重要，然而，随着电网规模的扩大，穿越复杂地形的电网越来越多地面临极端天气的威胁。冰诱发振动（Galloping）仍是一个严重的威胁，可能导致导线断裂、铁塔坍塌以及相间闪络。现有文献广泛研究了环境因素（风速、湍流）、积冰参数（厚度、粗糙度）以及导线配置（束线排列）对气动特性的影响，但在积冰形状非均匀性方面的研究仍存在显著空白。由于振动通常发生在非均匀积冰条件下，理解积冰分布的不对称性如何影响气动稳定性对于准确进行风险评估至关重要。

研究方法
本研究采用数值模拟方法，研究不同程度的冰非均匀性对导线气动稳定性的影响。

• 数值模型： 研究采用了 SST k-ω 湍流模型，该模型能够精确解析主流场和近壁区域，这对于模拟冰覆导线周围的尾流场至关重要。通过求解连续性方程、动量方程以及湍流动能 ($k$) 和比耗散率 ($\omega$) 的输运方程进行计算。
• 网格策略： 实施了 重叠网格法（Overset mesh method），以高效捕捉不同攻角下的气动参数。计算域分为背景网格和精细的前景网格（覆盖导线及5倍半径区域），两者通过交界面连接。
• 模拟参数： 以新月形积冰作为研究对象。模拟涵盖了从 0° 到 180° 的风攻角（利用对称性），间隔为 15°。研究变量包括导线直径（20 mm 和 30 mm）、积冰厚度（直径的 30% 和 60%）以及积冰角度（90°、120°、150°、180°）。
• 稳定性判据： 使用两种既定机制评估气动稳定性：
  1. Den Hartog 机制： 基于条件 $C_D + \frac{\partial C_L}{\partial \alpha} < 0$ 评估垂直振动的稳定性。
  2. Nigol 机制： 基于条件 $\frac{\partial C_M}{\partial \alpha} < 0$ 评估扭转振动的稳定性。
• 非均匀系数： 定义了一个特定参数——冰非均匀系数 ($a$)，即 $a = (b/\gamma) \times 100\%$，其中 $b$ 是积冰厚度与导线直径的比值，$\gamma$ 是积冰角度。该系数用于量化冰分布不对称的程度。
• 验证： 模拟模型通过了针对参考文献 [17] 的实验数据验证（导线直径 26.82 mm，积冰厚度 6.7 mm，风速 10 m/s）。模拟得到的阻力、升力和力矩系数在趋势上与实验结果高度一致，证实了模型的可靠性。

主要结果
数值分析得出关于冰非均匀性与气动稳定性之间关系的若干具体发现：

• 气动系数： 随着积冰角度减小（非均匀性增加），升力系数的变化范围显著增大。阻力系数通常随积冰厚度增加而增大，而扭转系数在积冰角度减小和厚度增加时，其变化幅度略有上升。
• Den Hartog 不稳定性： 研究发现冰非均匀系数与易发生 Den Hartog 振动的风攻角范围之间存在直接相关性。
  • 对于 20 mm 直径、0.3D 积冰厚度的导线，增加非均匀系数使不稳定风角范围从 0° 扩大到 3°。
  • 对于相同直径、0.6D 积冰厚度的导线，该范围从 1° 扩大到 6°。
  • 对于 30 mm 直径的导线，效应更为显著：在 0.3D 厚度下，范围从 4° 扩大到 19°；在 0.6D 厚度下，范围从 5° 扩大到 21°。
  • 结论： 更高的非均匀系数会扩大易发生垂直振动的风攻角范围。较大的导线直径也与更大的 Den Hartog 振动角范围相关。
• Nigol 不稳定性： 与 Den Hartog 机制不同，易发生 Nigol（扭转）振动的风攻角范围（主要在 30°–180° 之间）随冰非均匀系数的变化没有明显变化。研究得出结论，冰非均匀系数与 Nigol 振动角范围之间没有显著关系。

意义与主张
本文旨在阐明冰形状非均匀性对导线振动的具体影响，这是一个此前研究较少的因素。通过引入冰非均匀系数，本研究提供了一个定量框架，用于分析不对称积冰如何改变气动稳定性。主要贡献在于证明了增加的非均匀性会显著扩大垂直振动（Den Hartog 机制）的不稳定性窗口，但对扭转振动（Nigol 机制）的影响微乎其微。这些发现为改进电网冰灾早期预警系统和缓解策略提供了理论依据，特别是对于穿越严酷环境且普遍存在非均匀积冰的线路。