基于VOF的输电线路疏水性防覆冰研究

张峻豪，张晓龙，高 鹏，罗 赢，王 聪，李俊杰

(1.昆明理工大学机电工程学院，云南 昆明 650500;2.中国人民解放军31638部队,云南 昆明 650500)

0 前 言

近年来，我国的电力行业发展迅速，但也有许多制约其发展的因素，因为低温雨雪天气而导致输电线路的覆冰现象就是其中一种。对于电网系统来说，输电线路上出现覆冰或积雪现象对电力输送可能导致一场灾难[1]。因此，研究将疏水材料运用于输电线路上以此来减缓覆冰，对我国的经济发展以及人民生活有着重要的意义。

Neinhuis等[2]使用SEM显微镜来观察新鲜荷叶的微观结构，发现了一种双层微观结构。Cheng等[3]将新鲜荷叶加热到150 ℃后，通过SEM显微镜观察发现荷叶的双层微观结构消失，同时荷叶也失去了疏水的性能，从而证明荷叶的超疏水性来源于双层微结构。Gao等[4]发现荷叶表面的结构包括微米乳突表面和纳米蜡，形成微米-纳米结构，对荷叶表面的浸润性有重大影响，他们利用荷叶表面微观结构特征，制备出具有V形微槽结构以及条纹状的疏水材料。张静等[5]试验发现通过对以环氧树脂(EP)为基体的材料进行表面化学和物理处理,改善了材料的疏水性能。针对在阻止或减缓输电线路上覆冰的形成研究缺乏的情况，本工作将以材料疏水性为切入点，运用面追踪方法捕捉水滴在V形、矩形和圆形微沟槽表面的形状变化及行为特征，明确了疏水性效果最好的微沟槽表面结构，并搭建电缆覆冰试验台进行覆冰试验，为高原山地高压输电线路覆冰、除冰项目提供一种处理思路。

1 试验方法

1.1 仿真分析

浸润性是评价材料疏水性的主要参数。目前大多数浸润性研究都来源于Young方程[6]，但因其在最开始只考虑了十分理想的光滑表面，未考虑到现实中是否存在，后来Cassie在其基础上进行了改进和修正，提出了新的复合接触概念，建立了一种新的模型，即Cassie模型。

Cassie-Baxtert方程如式(1)[7]：

cosθw=fscosθs+fvcosθv

(1)

式中θw—— Cassie模型的表观接触角

θs、θv—— 分别为液滴在固体表面和残留空气表面的本征接触角

fs、fv—— 分别为固体与残留空气2种接触面占总面积的比值

液体在微沟槽表面的浸润性可以利用界面追踪方法来研究。目前，界面追踪方法主要分为3种：正面跟踪方法，基于等值面的Level Set方法，流体体积方法(Volume of Fluid ，VOF)[8，9]。

本工作运用基于Cassie模型的VOF方法分别对水滴在V形、矩形、圆形3种微沟槽表面形状变化及特征进行捕捉，并以此来研究微沟槽表面的浸润性。

1.1.1 VOF模型的建立

该浸润性模型中包含水、空气，二者常温状态下的数值如表1所示。

表1 材料属性参数Table 1 Material property parameters

由于边界条件是在仿真过程中用来模拟实际问题的环境条件，所以边界条件的设置参数将直接影响仿真得到的结果[7，8]。以V形沟槽为例，以此来论述其边界条件参数设定情况，V形沟槽边界条件参数设定如图1所示。

从图1可知，将右边界设置为axisymmetry，同时该边界为整个模型的对称轴。对称边界设置后，此边界上的法相速度和梯度均为0，即如式(2)：

(2)

根据分析得知，由于上边界和左边界的速度无法确定，故将其设置为恒压边界。对于V形微沟槽的底部边界，需要将其设置为wall，也就是不存在滑移的边界，在此边界上无论哪个方向的速度都为0。

当水滴撞击表面铺展后，此时表面的黏附力如式(3)所示：

n=nwcosθw+twsinθw

(3)

式中nw—— 相对于底面(wall)的单位法向量

tw—— 相对于底面(wall)的单位切向量

在完成上述设置后，进行初始化参数设置与计算。初始化相关参数是模拟真实情况下的初始条件，合理设定初始化相关参数是获得理想仿真结果的前提条件。该次浸润性VOF仿真需设定多项参数，如初始环境的压力大小、水滴初始速度以及液滴初始位置等，其具体参数设定如表2所示，其中标号+表示该项参数不需要设置，标号△表示该项参数是变动的[10，11]。

表2 浸润性VOF仿真参数Table 2 Wetted VOF simulation parameters

在VOF模型分析中为了避免进行液相压力计算，一般选取密度较小的气象，且初始流体分布一般采用流体体积分数来表示。上述方法不仅可以改善动量平衡计算，还有利于迭代的收敛[11-13]。

1.1.2 V形微沟槽结构仿真

将铝作为V形微沟槽的材料，水滴的半径设定为0.125 m，水滴撞击到表面初始速度设置为0.4 m/s，则V形微沟槽表面的疏水性仿真如图2所示。由图2可知，该仿真呈现出水滴撞击微沟槽表面到水滴最终处于稳定状态的一个过程。水滴最开始以0.4 m/s的速度撞击微沟槽后，水滴表现出铺平展开的行为，紧接着很快又收缩并向上方弹起，但水滴本身并没有离开微沟槽表面，在不断重复经历上述过程后，水滴最终在微沟槽表面达到一种平衡的状态。

1.1.3 圆形微沟槽结构仿真

水滴的半径设定为0.125 mm，水滴撞击到表面的初始速度设置为0.4 m/s。圆形微沟槽表面的疏水性仿真如图3所示。从图3可知，水滴在圆形微沟槽表面同样也经历了V形微沟槽表面的运动过程，但不同的是，即使初始速度已经达到V形微沟槽的1.7倍，水滴依旧无法全部离开微沟槽表面，而是在不断地重复铺开、收缩、弹起、回落这一过程，最后水滴也处于一种平衡状态。

1.1.4 矩形微沟槽结构仿真

水滴的半径设定为0.125 mm，水滴撞击到表面的初始速度设置为0.4 m/s。水滴在矩形微沟槽表面同样也经历了上述2种微沟槽的运动行为过程，具体呈现出铺展、收缩、弹起、回落这样一个过程，且全程未离开表面。圆形微沟槽表面的疏水性仿真如图4所示。

1.1.5 微沟槽结构浸润性仿真结果分析

根据上述仿真结果，通过Fluent软件进行后处理得到了水滴在3种微沟槽表面的接触角，如图5所示。接触角大小测量方法是分别测量水滴左右两侧的接触角θ1和θ2，然后取两接触角大小的平均值θ。通过测量可得，V形微沟槽：θ1=152.0°，θ2=153.0°，其平均值θ=152.5°。矩形微沟槽θ1=125.0°，θ2=124.0°，其平均值θ=124.5°。圆形微沟槽：θ1=130.0°，θ2=128.0°，其平均值θ=129.0°。根据上述参数对比可知，3种微沟槽在所设定的特征尺寸下都具有疏水性，疏水性大小依次为：V形微沟槽>圆形微沟槽>矩形微沟槽。

1.2 覆冰试验

1.2.1 输电线路涂层的微观结构

根据微沟槽结构浸润性仿真结果可知，V形微沟槽结构在3种结构中其疏水性最好。故在覆冰试验中，采用能使输电线路生成类似V形微沟槽结构的新型疏水性涂料，即ZS-711、ZS-611防冰雪涂料[14]。

由于涂料喷涂在输电线路表面后会改变其表面微观结构，进而影响输电线路表面的的疏水性能，所以需要对其表面微观结构形态进行观察。分别用ZS-711和ZS-611防冰雪涂料对直径为3 mm铝线进行处理，再使用电子显微镜(FESEM，Sigma300，Zeiss)对试样分别进行观察，其结果如图6所示。

从图6可知，未经任何喷涂处理的试样，其表面较粗糙，晶粒形貌不规则，没有明显的取向性(图6c)；经过ZS-711处理后的试样，其表面呈现出褶皱的形貌，呈现出类似V形槽的形状(图6a)；经过ZS-611处理后的试样，其表面也有类似V形槽的形貌(图6b)。

1.2.2 试验材料和仪器

输电线路覆冰试验所需要的材料和设备主要有：输电铝绞线、疏水性涂料、喷壶、低温试验箱、电子秤、烘干机、系统支架、数码相机、直尺等。

1.2.3 试验方法

(1)使用高压喷壶将疏水性涂料均匀喷涂到输电线路表面，然后将其置于常温下2 h。

(2)为了更好地模拟自然界中输电线路表面覆冰的真实形成过程，将冰柜环境设置为-12.5 ℃，将待测输电线路放入冰柜内的系统支架上，然后预冷20 min左右，待输电线路表面温度与冰柜内实时温度相同后，每隔3 min用喷壶将液态水喷射到输电线路上以此使其形成覆冰。

(3)为了准确了解输电线路表面覆冰的状态，每30 min对输电线路表面覆冰状态进行一次拍照记录，同时对输电线路表面覆冰重量进行一次称重，单次试验所需时间为3 h。

2 结果与讨论

2.1 未经处理的钢芯铝绞线表面覆冰试验

未经处理的钢芯铝绞线表面覆冰状态如图7所示。通过测量不同时间的覆冰长度及质量，得出如表3所示6个时刻未经处理的钢芯铝绞线表面覆冰详细情况。

表3 未经处理的钢芯铝绞线表面覆冰情况Table 3 Ice coating on the surface of untreated steel core aluminum stranded wire

从图7和表3可知，覆冰试验仅开始30 min其冰垂长度就达到了3.5 cm，随着试验时间的延长，钢芯铝绞线表面的覆冰厚度以及冰垂长度都在快速地增加。当试验进行到180 min时，冰垂的长度已经达到了11.5 cm，且覆冰的质量达到了302 g，该覆冰质量达到了钢芯铝绞线本身质量的约1/3。

2.2 经过喷涂ZS - 611处理的钢芯铝绞线表面覆冰试验

经喷涂ZS-611处理的钢芯铝绞线表面覆冰状态如图8所示。通过测量不同时间的覆冰长度及质量，得出如表4所示6个时刻的钢芯铝绞线表面覆冰详细情况。

表4 喷涂ZS-611的钢芯铝绞线表面覆冰情况Table 4 Surface ice weight of ZS-611 coated steel core al strand

由图8、表4可知，经ZS-611处理后的钢芯铝绞线，经历60 min覆冰试验，其冰垂长度才达到未经处理的钢芯铝绞线30 min覆冰试验的冰垂长度。随着试验时间的延长，钢芯铝绞线表面主要是以粒状的冰晶为主，冰垂的长度在缓慢地增加。当试验进行到180 min时，冰垂的长度达到了7.6 cm，覆冰的质量达到102 g，该覆冰质量超过了钢芯铝绞线本身质量的1/5。

2.3 经过喷涂ZS - 711处理的钢芯铝绞线表面覆冰试验

经喷涂ZS-711处理的钢芯铝绞线表面覆冰状态如图9所示。通过测量不同时间的覆冰长度及质量，得出如表5所示6个时刻的钢芯铝绞线表面覆冰详细情况。

表5 喷涂ZS-711的钢芯铝绞线表面覆冰情况Table 5 Surface ice weight of ZS-711 coated steel core aluminum stranded wire

由表6可知，当试验进行到180 min时，冰垂的长度为6.7 cm，覆冰的质量为85 g，该覆冰质量不到钢芯铝绞线本身质量的1/5。

2.4 试验情况对比

由表3～表5得出经不同方式处理过的钢芯铝绞线覆冰情况中的冰垂长度、单位长度覆冰量与覆冰时间的关系如图10～图12所示。

由图10～12可得，未经处理钢芯铝绞线前120 min内冰垂长度基本成线性增长，120～150 min内增速减缓，随后增速又基本恢复到120 min内的水平；单位长度覆冰量基本成线性增长，由于其增速较快，长时间会对电缆造成巨大的压力，当积累到一定量时，可能会导致输电线路坍塌。喷涂ZS-611涂料的钢芯铝绞线与喷涂ZS-711涂料的钢芯铝绞线的冰垂长度、覆冰量与覆冰时间基本呈现出线性关系，两者的随时间的增长速率明显慢于未经处理钢芯铝绞线的，在一定程度上减缓了覆冰的形成，达到了对电缆的保护作用；并且喷涂ZS-711涂料的钢芯铝绞线覆冰增长速率最慢，减缓覆冰形成的效果最好。

3 结 论

(1)运用VOF法对V形、矩形和圆形3种微沟槽结构进行仿真分析，发现其V形微沟槽结构的疏水性最好。在此基础上挑选ZS-611和ZS-711 2种能使电缆表面生成类V形微沟槽结构的新型疏水性涂料，并通过电子显微镜观察2种涂料在电缆上的微观结构，发现相比未处理的试样，经ZS-611、ZS-711涂料处理后的试样在疏水性方面都有较大的提升。

(2)分别对未处理的钢芯铝绞线、经过ZS-611涂料处理的钢芯铝绞线、经过ZS-711处理的钢芯铝绞线3组试样进行180 min的覆冰试验，并分别绘制出3组试样冰垂长度与时间、覆冰量与时间的关系图。结果显示未处理的覆冰质量达到了322 g，冰垂的长度达到了11.5 cm;经过ZS-611处理后的试样覆冰的质量为102 g，冰垂的长度为7.6 cm；经ZS-711覆冰的质量为85 g，冰垂的长度为6.7 cm。由此表明，同试验条件下经过ZS-711处理后的钢芯铝绞线不管是在覆冰量还是冰垂长度都优于另外2组试样，同时也从侧面验证了V形微沟槽具有优良的防覆冰性能。