陈广思，牛一博，席 云

(吉首大学信息科学与工程学院，湖南 吉首 416000)

在电气化铁路中，周围流速和静电容易让污秽颗粒物停留在绝缘子表面，从而降低绝缘子的电气绝缘性能.研究表明，污闪尤其是绝缘子污闪，会造成严重的经济损失[1-2].污闪的发生是有一些必要条件的，积污就是条件之一，因此解决积污问题的意义重大.有学者指出周围流速和颗粒大小与积污有关[3-6]，还有学者指出可以通过风洞试验研究绝缘子积污过程[7-10].为了厘清周围流速和电压与绝缘子积污质量的关系，笔者拟采用风洞模型，并结合COMSOL Multiphysics软件进行仿真实验，具体是应用电场模块和流体力学模块，将这2个模块同时添加到仿真过程中.

1 数值模拟风洞试验的控制方程

1.1 电场的控制方程

唐秋明等[2]采用静电场研究颗粒在绝缘子表面的吸附过程，获得了不错的效果，故静电场为首选.静电场方程为

其中：D为电位移强度；ρv为体电荷密度；E为电场强度；V为电势.

1.2 风沙流场的控制方程

风沙流场中既有气流也有颗粒，是气固两相流体，因此结合连续方程和动量方程对气流相进行数值模拟，可获得更好的效果.控制方程用来模拟颗粒运动状态，通过湍流场分析绝缘子的气流.连续方程和动量方程分别为

其中：ux，uy，uz分别为气流相流体在x，y，z轴方向上的速度矢量；ρ为气流相流体密度；μ为气流相的流体动力粘度；μT为气流相的湍流脉动附加动力粘度；p为气流相流体单元受到的压力；I为主应力张量.

绝缘子表面有许多气流，这些周围气流产生的流线很容易受绝缘子的影响，因此在仿真实验时用RNGκ-ε模型进行模拟可以获得更好的模拟效果.湍流方程为

2 风洞试验的模拟方法

2.1 简化处理与网格剖分

伞裙的积污主要覆盖在表面，这部分是主要研究内容，其他部分可以简化.绝缘子分块示意如图1所示.仿真实验采用的模型如图2所示.

图1 绝缘子分块示意

图2 风洞模型及网格剖分

2.2 边界条件的设定

仿真实验中所使用的流体力学模块、电场模块，都需要为了某种特定的仿真环境，在实验过程中进行设定.

3 仿真实验

绝缘子表面的周围流速较大时，电压与积污质量几乎是不相关的，即没有影响；绝缘子表面的周围流速较小时，静电与积污质量的关联度较强[7].为了进一步厘清周围流速和电压与积污质量之间的关系，笔者进行了仿真实验.风速的取值一般小于40 m/s[9]，周围流速取3，30 m/s.周围流速为3 m/s的各电压下的仿真工况如图3所示，各电压下的积污质量的变化趋势如图4所示；周围流速为30 m/s的各电压下的仿真工况如图5所示，各电压下的积污质量的变化趋势如图6所示.

图3 v=3 m/s，各电压下的仿真结果

图4 v=3 m/s，各电压下的积污质量的变化趋势

图5 v=30 m/s，各电压下的仿真结果

图6 v=30 m/s，各电压下的积污质量的变化趋势

由图3和图4可见，周围流速为3 m/s时，电压增大，绝缘子表面的颗粒增多(即积污增多)，积污质量增加.由图5和图6可见，周围流速为30 m/s时，电压增大，绝缘子表面的颗粒没有任何改变(即积污没有任何改变)，积污质量也没有任何改变.

4 结语

基于流体力学原理和电场理论建立了绝缘子风洞模型，并利用仿真实验分析了周围流速和电压与积污质量之间的关系，得到以下结论：

(1)绝缘子表面的周围流速较小时，电场力增大，沙粒会更容易与表面发生碰撞进而吸附在表面，所以绝缘子两端的电压增大，会导致积污质量增加；周围流速较大时，即使电压增大，积污质量也不会发生太大的变化.

(2)结合静电场和流体力学场共同作用来模拟风洞试验，仿真结果与实际风洞试验结果基本相符；相较于用单一流体力学场进行仿真，两者结合更符合沙粒的实际受力情况，得到的绝缘子积污特性更准确.

电压较低、风速较小时，绝缘子表面更不容易积累污秽，这可以为绝缘子表面伞裙的清扫，以及在电压不同时如何提高绝缘子的部分性能(如防污性能等)提供进一步的理论依据.