接触网绝缘子带电水冲洗的关键参数研究

2022-05-19吴文海周小飞

机械设计与制造 2022年5期

张霆，吴文海，蓝天，周小飞

（西南交通大学先进驱动节能技术教育部工程研究中心，四川成都 610031）

1 引言

作为输电线路的重要组成部分，接触网绝缘子始终面临着严重的污闪威胁［1］。为预防污闪事故的发生，对绝缘子进行清扫是一项不可忽视的铁路维护工作。带电水冲洗作为接触网绝缘子清扫方式中最高效的方式得到了广泛应用，同时也成为该领域的研究重点，利用CFD软件对水冲洗过程中影响射流特性的关键参数进行研究具有重要的意义。

文献［2］利用CFD方法研究了喷嘴内部结构参数对射流流场的影响；文献［3］通过试验对水射流喷嘴的能量损失的关键影响因素进行了研究；文献［4］基于Fluent对新型导流式喷嘴与普通孔式喷嘴进行了仿真对比分析；文献［5］利用CFD软件对水射流扩孔喷嘴内部流场进行数值模拟；文献［6］采用计算流体力学数值分析的方法，进行了三维旋转喷射枪喷嘴结构的优化。以上对喷嘴的研究多为内流场，缺乏对外流场特别是较远距离外流场的射流特性研究。文献［7］对带电水冲洗的水射流打击力特性进行了研究；国内外相关文献［8-10］对带电水冲洗的冲洗方法和清洗效率等进行了试验研究分析。以上研究对带电水冲洗的方法、效率等进行了研究分析，做出了重要贡献。

通过CFD软件Fluent对水射流的外流场进行数值模拟，研究接触网绝缘子水冲洗过程中喷嘴入口压力、喷嘴出口直径、风速等关键参数的影响，并通过水气比结合喷嘴直径、射流距离进行相关分析。

2 模型的建立

喷嘴的二维结构，如图1所示。该圆锥形喷嘴的主要结构参数有：喷嘴入口直径D，喷嘴收缩角α，喷嘴出口直径d，喷嘴圆柱段长度与出口直径的比值l d。喷嘴的结构参数对喷嘴内、外部流场的影响国内外已做过许多研究和实验，发现收缩角α=13°，长径比l d为（2～4）时性能最优［11-12］。这里涉及了多种出口直径的喷嘴，有相同的收缩角α=13°，相同的长径比l/d=2.5，主要研究的三种喷嘴的具体参数，如表1所示。

图1 喷嘴的二维结构示意图Fig.1 Two-Dimensional Structure Diagram of Nozzle

表1 喷嘴模型参数Tab.1 Nozzle Parameter

3 网格划分

利用3D绘图软件Solidworks建立喷嘴及外部流域的三维模型，利用ICEM进行网格划分，在喷嘴内部及喷嘴出口附近进行局部加密处理，网格划分结果，如图2所示。

图2 喷嘴射流流场的网格模型Fig.2 Mesh Model of Jet Flow Field of Nozzle

4 边界条件

喷嘴入口设为求解域的压力入口边界（Pressure Inlet），Y轴方向与喷嘴平行的一侧外部流域面设为速度入口边界（Velocity In⁃let），其它外部流域面为求解域的压力出口边界（Pressure Outlet），其值设为环境大气压力，其余表面为无滑移壁面边界（Wall）。仿真模拟中湍流模型采用standardκ - ε模型，不考虑热传导，采用基于压力的求解器，做稳态计算，气液两相流计算采用Mixture两相流模型，设置空气为主相，水为第二相。仿真中加入重力加速度的影响，在Y轴方向设置加速度为-9.81m/s2。迭代计算时，添加流量参数的监视窗口结合残差值的监测判断解的收敛。

5 流场仿真及结果分析

5.1 压力的影响

5.1.1 压力对射流速度的影响

以出口直径8mm 的喷嘴为例，喷嘴入口压力分别设定为1MPa、2MPa、3MPa。仿真得到8mm喷嘴不同入口压力下的射流速度曲线，如图3所示。

图3 8mm喷嘴不同入口压力下的射流速度曲线Fig.3 Jet Velocity Curves of 8 mm Nozzle under Different Inlet Pressures

由图3可知，三种入口压力下的喷嘴出口速度皆与其理论公式相对应。入口压力越大，射流的初始速度越大，但初始速度随着压力增加而增加的值却逐渐减小，说明有一个饱和趋势。随着水平距离的增大，射流速度逐渐减小，三种压力下，10m处的射流仍保持了较高的速度，说明射流仍具有较好的密集性，具有良好的清洗效果。

5.1.2 压力对水气比的影响

水气比为某一水平距离的水柱中水在水与空气的混合体中所占的比值。绝缘子水冲洗有安全距离的要求，其实质是水冲洗时水柱是水与空气的混合体，其中水是良好的导电体，空气是良好的绝缘体，水占的比值越大，导电能力越好，要求的安全冲洗距离越远。

以出口直径8mm的喷嘴为例，改变喷嘴的入口压力，分别设定为1MPa、2MPa、3MPa，得到不同距离不同压力下的水气比，结果见表2。

表2 8mm喷嘴不同距离不同压力下的水气比（%）Tab.2 Water-Air Ratio at Different Distance and Pressure of 8mm Nozzle（%）

结果显示，水气比在出口附近迅速衰减，约0.5m之后衰减程度趋于平缓。对于同一出口直径的喷嘴，入口压力增大，同一水平距离的水气比稍有增加，但并不明显，可见入口压力不是影响水气比的主要因素。

5.2 喷嘴出口直径的影响

5.2.1 直径对射流速度的影响

选择喷嘴入口压力为1MPa，改变喷嘴的出口直径，喷嘴直径分别为6mm、8mm、11mm。仿真得到入口压力1MPa时不同出口直径的射流速度曲线，如图4所示。

图4 入口压力1MPa时不同出口直径的射流速度曲线Fig.4 Jet Velocity Curves of Different Outlet Diameters at Inlet Pressure of 1MPa

结果表明，入口压力一定时，喷嘴的出口直径对出口附近的速度几乎没有影响。出口直径对较远距离的外流场射流速度的有一定影响，出口直径增大，外流场的射流速度的衰减率减小，即直径越大的喷嘴在同一水平距离处具有更大的射流速度。但结合入口压力对射流速度的影响得知，相比于喷嘴直径而言，入口压力是影响射流速度的关键参数。因此，增加喷嘴的入口压力是提高射流打击力最有效的方法。

5.2.2 直径对水气比的影响

选择喷嘴入口压力为1MPa，改变喷嘴的出口直径，喷嘴直径分别为6mm、8mm、11mm。得到不同距离不同直径下的水气比结果，如表3所示。

表3 压力1MPa时不同距离不同直径下的水气比（%）Tab.3 Water-Air Ratio at Different Distance and Pressure of 8mm Nozzle（%）

结果表明，入口压力一定时，喷嘴的出口直径越大，同一水平距离的水气比有较为明显的提升。相对于入口压力而言，喷嘴出口直径是影响射流水气比的关键参数。因此，喷嘴直径直接关系着安全冲洗距离，考虑到水气比对带电水冲洗安全性的影响，小直径喷嘴适合较近距离冲洗，大直径喷嘴适合较远距离冲洗。

5.3 风速的影响

5.3.1 风速对射流轨迹的影响

分别选择出口直径6mm和8mm的喷嘴进行仿真实验，风速分别设为2.5m/s、4.5m/s、6.5m/s，三种风速对应的入口压力分别设为1MPa、2MPa、3MPa。风速皆垂直于速度入口边界，射流距离3m处的水平偏移量结果，如表4所示。结果表明，当喷嘴直径和入口压力一致时，风速越大，射流在同一射流距离的水平偏移量越大，即对射流的直线性能影响越大；当喷嘴直径和风速一致时，入口压力越大，同一射流距离的水平偏移量会减小，即较大的压力能够提升射流的直线性能；当入口压力和风速一致时，喷嘴直径越大，同一射流距离的水平偏移量越小，即较大直径的喷嘴有更佳的抗风能力。

表4 不同风速不同压力下的射流水平偏移量（m）Tab.4 Horizontal Offset of Jet Flow at Different Wind Speed and Pressure（m）（a）6mm喷嘴

5.3.2 风速对射流速度的影响

以6mm喷嘴为例，设定入口压力1MPa，风速分别为2.5m/s、4.5m/s、6.5m/s，所有风速皆垂直于Y轴，角度为风向与喷嘴出口方向的夹角。射流距离为3m时，不同风速下的射流速度曲线，如图5所示。

图5 射流距离3m时，不同风速下的射流速度曲线Fig.5 When the Jet Distance is 3m，the Jet Velocity Curve under Different Wind Speed

由图5知，对于同一射流距离，三种风速下的射流速度均低于无风时的射流速度，风速角度90°时射流速度最小；风速2.5m/s时，射流速度减小得并不明显，始终保持在40m/s以上，但随着风速的增加，射流速度明显减小，射流打击力会随之减小，因此，过大的风速会影响水冲洗的效果。

根据风速对射流轨迹和射流速度的影响综合分析，建议尽量在风速低于2.5m/s的情况下进行冲洗作业。

5.4 绝缘子安全水冲洗

保持一定水柱长度是保证带电水冲洗时人身安全的必要条件，研究对象为交流额定电压27.5kV的电气化铁路接触网绝缘子，GB 13395-1992［13］所规定的额定电压（10～63）kV下的喷嘴与带电体之间的安全距离按照小水冲（≤3mm）、中水冲（4～8）mm、大水冲（9～12）mm有不同的安全冲洗距离要求，分为接地与不接地两种情况。设定入口压力1MPa，接地时水气比的定量分析，如表5所示。不接地时水气比的定量分析，如表6所示。得到了不同直径喷嘴对应安全距离下的水气比，即满足安全冲洗距离的最大水气比。