基于CFD 的绝缘子水冲洗临界水平偏转角研究∗

唐 田 王国志

（西南交通大学先进驱动节能技术教育部工程研究中心 成都 610031）

1 引言

伴随着我国工业化进程的进一步加深，国民经济高速发展。一方面污染问题日趋严重，输变电设备外围绝缘设备因为空气中粉尘颗粒的影响而发生污闪的事件愈来愈多，导致了大面积停电以及相关设备的损坏［1］；另一方面，保持连续不断的供电是国民经济和社会发展的基础。因此，在不断电的情况下对相应外围绝缘设备的清洗就显得十分必要，主要的带电清洗方式有带电水冲洗、带电气吹清扫以及涂刷防污涂料等方式［2］，其中带电水冲洗因为其清扫效率高、成本低、不要求停电作业、对生产运行影响小［3］等多方面的优势在实际清洗作业中得到了大量的应用。

本文利用fluent对绝缘子冲洗过程中存在的偏心射流工况进行仿真模拟，并在保证其打击力的前提下，研究了临界水平偏转角的大小与入口压力以及喷口直径大小间的关系，为真实的清洗作业提供了一定的指导和理论参考。

2 高压水冲洗机理

带电水冲洗是利用一股流速很高的水柱对被冲洗的绝缘子进行冲洗。能够实现带电水冲洗，主要是利用水柱的冲击力和绝缘性能两个特性［4］。

1）水柱的冲击力

水柱在离开水枪喷口时拥有相当高的速度，当它射到绝缘子表面时仍具有足够的动能，由此产生一定的冲击力［5］，把沉积在绝缘子表面的污秽物质冲刷掉。

2）水柱的绝缘性能

水是带电作业中应用的一种液体介质，在带电水冲洗中，水柱具有一定的绝缘性能，为提高水柱的绝缘性可采用蒸馏水［6］。因此蒸馏水可以作为主绝缘或组合绝缘中的一部分使用。

高压水射流对污垢的冲洗过程颇为复杂，它主要涉及到水在污垢内渗透、裂纹的扩散、压缩与剪切破碎、成坑和水楔作用造成的大规模裂缝扩张等复杂过程［7］。Adler 认为水射流去除表面污垢的机理主要由四个破坏模型组成：直接变形、应力波传播、测流冲击和水力渗透［8］。直接变形和应力波传递导致了污垢初始裂纹的产生，而测流冲击和水力渗透使得现有的裂纹不断扩大并最终达到污垢脱落的效果［9～10］。通过对水射流清理的机理分析可知，能否对绝缘子进行有效清理的关键在于水柱所携带的动压是否满足相应的污垢清洗压力的要求，因此水柱在绝缘子上所产生的有效压力区是绝缘子水冲洗的关键区域，而打击力是水柱动压在绝缘子壁面的直接反映［11］。

3 模型的建立

本文所研究的绝缘子为单群盘式绝缘子，利用solidworks建立了如图1所示的三维流场区域，靶距为b=3000mm，冲洗仰角为α=20°［12］，水平偏转角为β。采用ICEM进行六面体结构网格的划分，并在喷嘴和绝缘子等关键部位进行了局部加密［13］，提高了网格的整体质量，既在一定程度上保证了仿真的效率，又为仿真结果的精度提供了可靠的保障［14］。

4 模型正确性的验证

当水平偏转角为0°时，在fluent 中将喷嘴的入口压力设为4MPa，选用VOF 模型以及Realiz⁃ableκ-ε模型进行仿真，得到的速度云图如图2 所示，仿真所得到的结果与高压水射流的结构基本一致，即流体在刚离开喷嘴的一段距离内形成了一个锥形的等速核心区，随着距离的增大以及卷入的空气量的增加，射流的边界逐渐变宽，速度逐渐降低［15］，初步验证了模型的正确性。

图1 三维流体域的工程

图2 入口压力为4MPa时竖直截面上的速度云图

根据伯努利方程在忽略喷嘴中的能量损失以及势能的变化可以得到水射流出口流速的简化表达式［16］：

式中，v 为出口速度，m/s；p为射流压力，MPa。

通过式（1）计算所得理论的出口速度为89.4m/s，根据图2 所示的速度云图可知仿真所得到的喷嘴出口速度为88.7m/s，误差为0.78%，仿真结果与理论计算值相当接近，进一步证明了该模型的正确性。

5 仿真结果的处理分析

根据GB/T 13395-2008《电力设备带电水冲洗导则》中如表1 所示的不同水冲洗方式下的喷口直径大小，本文针对绝缘子带电水冲洗小水冲、中水冲、大水冲三种情形选择出口直径d 为3mm、5mm、8mm的喷嘴。

表1 不同水冲洗方式下的喷口直径

在不同水平偏转角以及不同的进口压力下绝缘子壁面所受的打击力F（N）的分布如下所示。

表2 3mm喷嘴的打击力F（N）的仿真数据

表3 5mm喷嘴打击力F（N）的仿真数据

表4 8mm喷嘴打击力F（N）的仿真数据

从上表可以看出在偏转角为0～0.8°的范围内，相同入口压力的打击力在一定范围内波动，而在1.0°～1.4°出现了明显的下降，利用Matlab 对相同压力入口的每组数据进行曲线的拟合，首先通过最小二乘法对每组数据进行样条曲线拟合，再对每一组的数据中偏转角为0°、0.2°、0.4°、0.6°、0.8°进行直线拟合。该直线与拟合所得的样条曲线的交点即为打击力开始持续下降的临界点，该点的横坐标值即为临界水平偏转角。该点的纵坐标即为绝缘子在该工况下的平均打击力。喷嘴直径为3mm、5mm、8mm 所得到的拟合结果分别如图3、4、5 所示。

由图3、4、5 可以看出，临界水平偏转角在喷嘴直径大小相同时，随入口压力的增大而减小；在入口压力保持不变时，临界水平偏转角随着喷嘴直径的大小增大而减小。这是由于增大入口压力或增大喷嘴直径，在射流长度相同时，水柱横截面的直径增大，在逐渐增大喷嘴的水平偏转角时，横截面积大的水柱首先偏离出绝缘子壁面。

图3 喷嘴直径为3mm入口压力为1Mpa、2Mpa、3Mpa、4Mpa时的拟合图像

图4 喷嘴直径为5mm入口压力为1Mpa、2Mpa、3Mpa、4Mpa时的拟合图像

图5 喷嘴直径为8mm入口压力为1Mpa、2Mpa、3Mpa、4Mpa时的拟合图像

根据图3、4、5 拟合曲线图可以得到直径为3mm、5mm、8mm 喷口的临界偏转角随入口压力的变化趋势如图6所示。

图6 临界偏转角的变化趋势

由图6 可以清楚地看出临界偏转角度随着入口压力的增大而减小，其变化率随喷口直径的增大而增大；当入口压力大小相同时，临界偏转角度随喷口直径的增大而减小。因此，在实际冲洗作业时中使用大水冲洗方式或选择较高的入口压力时应该适当减少喷嘴在水平面的偏转角度，避免了因水平偏转角度过大而引起的无效冲洗。

根据图3、4、5 拟合曲线图可以看出临界打击力的大小可以近似的看作在临界水平偏转角度内的平均打击力，水射流的临界打击力随入口压力的变化趋势如图7所示。

图7 打击力随入口压力的变化趋势

从图7 可以看出，水射流对绝缘子壁面的打击力随着入口压力的增大而增大，且随着喷口直径的增大，打击力随入口压力的增长率也增大；当入口压力相同时，喷口直径的增大，使得水流通过喷口的流量增大，即在速度改变量大致相同时，增大了单位时间内打击到绝缘子壁面的水射流的质量，导致打击力的大幅度增大。

6 临界水平偏转角的多项式拟合

将各工况下所得的临界偏转角度大小导入Matlab 中，调用cftool，设置目标多项式的次数为两次，拟合结果如图8 所示。该多项式拟合的拟合优度R2 达到了0.9975，具有很高的拟合精度，拟合所得的多项式函数为

A 为临界水平偏转角度；D 为喷口直径，3mm ≤D ≤8mm；P为入口压力1MPa ≤P ≤4MPa。

图8 临界水平偏转角拟合结果

7 结语

1）临界偏转角度随着入口压力的增大而减小，其变化率随喷口直径的增大而增大，当入口压力大小相同时，临界偏转角度随喷口直径的增大而减小；

2）水射流对绝缘子壁面的打击力随着入口压力的增大而增大，且随着喷口直径的增大，打击力随入口压力的增长率也增大，当入口压力相同时，喷口直径的增大增大；

3）根据临界水平偏转角关于入口压力和喷口直径的多项式，可以计算出压力在1MPa～4MPa，喷口直径在3mm～8mm任一工况下的临界偏转角度。