油液中颗粒污染物的动态特征研究

发布时间：2016-08-31 06:56

第 1 章  绪论

长期受热和电场的作用使得变压器油中的添加剂与绝缘材料发生一系列水解反应，分解出的微水加速金属的腐蚀，形成的铜、铁颗粒反过来又对变压器油产生催化氧化的效果，颗粒氧化物和微水促使油品劣化程度变得严重。同时，油液中颗粒污染物的不规则运动还会对油液起反复剪切作用，降低油液粘度和润滑性，催化油液氧化变质，缩短油液的使用寿命[8]。杂质颗粒对变压器油电气性能的影响也非常明显，大量的非金属颗粒污染物在电场作用下规则排列形成导电小桥，会显著降低油击穿电压。超高压、特高压设备中的金属微粒或大颗粒杂质易受重力作用沉降在变压器绕组或绝缘纸上，严重时会引起绕组匝间短路，造成重大事故[9]。 变压器油中颗粒污染物的体积分数往往小于 10-12%，颗粒非常稀薄，大部分颗粒污染物悬浮于变压器油中，随着油液的流动传递到整个流场，处于一种动态的变化过程。因此，研究探索颗粒污染物在油液中的动态特征和运动特性有利于对含颗粒污染物油液的运行状态进行评估，掌握固体颗粒污染物在油液中迁移的轨迹、速度、加速度和浓度等特性的分布规律和变化趋势，采取有效的措施控制颗粒污染物，从而加强对油液的颗粒污染监控，及时准确判别油液中颗粒污染物的种类和含量、颗粒污染度等情况，有助于及时发现变压器的潜伏隐患，对延长油液的使用寿命、减少设备的运行事故具有重要的实际工程应用价值。  

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第 2 章  油中颗粒污染物的数值模拟

2.1  油中颗粒污染物的动力学方程组

由于油固两相流的颗粒雷诺数较小，还可利用岑可法的全雷诺数范围球形颗粒曳力系数表达式进行数值计算，如表 2.1 所示，该表根据大量的实验数据和统计研究，将颗粒雷诺数从 0 到无穷大的适用范围分为 10 个区间，提供了相应的球形颗粒曳力系数表达式，其准确性高于全区域通用的经验公式。在水平管道流动的中心区域，流体速度梯度小，此时 Saffman 力可视为 0，但是在管道的突扩端和突缩端处油液的速度梯度较大，Saffman 力比较明显，因此需要对该力加以计算，才能更加准确地描述颗粒污染物的行为。

2.2  仿真模型的建立

使用 Fluent  软件来求解相关流体方程组，获得各种流场数据如速度、压力、温度等计算结果。流场数据既可以直接在 Fluent 内置后处理进行数据处理，也可以利用 Workbench  、CFD-Post、Tecplot  等专业后处理软件得到更高质量的图片，可以根据自身需求设截面得到流场中温度、速度、压力等各种变量的等值线图和云图，速度的矢量图和流线图，粒子轨迹图、XY 散点图等，通过设置监视窗口在线监测所求变量的变化情况，也可生成文字形式的报告，还可以通过 Fluent 的Autosave 功能得到动态模拟流动效果。本课题研究的是水平方管内的油固两相流场，，需要对流场建立几何模型。选择水平方管为研究对象，在 Geometry 模建模工具中建立三维物理模型，由于轴两侧的流动形态基本相同，建模过程中为了减少计算量，选取水平方管沿对称轴上方的一半作为计算区域。水平方管内的流场为 44×44mm，管路总长 L 为 500mm，其中管路两端为 φ24mm×8mm 的进出口。z 轴为油液主流束方向，y 轴为竖直方向。 

第 3 章  油中单一颗粒污染物的 LDV 实验研究 ............ 32 

3.1   LDV 原理与实验方法 .............. 32 
3.2  含单一颗粒污染物的油样的配制 ............ 35 
3.3  油中单一颗粒污染物的瞬时速度分析处理方法 .......... 35 
3.4  油中单一颗粒污染物的瞬时速度分布特征 ................ 39 
3.5  油中单一颗粒污染物的平均速度的变化规律 ......... 48 
3.6  小结 ............ 51 
第 4 章  油中多种颗粒污染物的 PIV 实验研究 ........ 53 
4.1   PIV 工作原理与实验方法 .................. 53 
4.2  含多种颗粒污染物的油样的配制 ............... 55 
4.3  油中多种颗粒污染物的瞬时速度分布特征 ....... 56 
4.4  油中多种颗粒污染物的平均速度的变化规律 .................. 77 
4.5  油中多种颗粒污染物颗粒湍动能和湍流耗散率的分布 ............. 82 
4.6  油中多种颗粒污染物的动态特征的实验和仿真对比验证 ........... 85 
4.7  小结 ............ 87
第 5 章  结论及展望 .................. 89 
5.1  结论 .......... 89 
5.2  展望.. 90

第 4 章  油中多种颗粒污染物的 PIV 实验研究

4.1   PIV 工作原理与实验方法

PIV的工作原理是在流场中均匀散播跟随性和散射性良好的示踪颗粒，将激光器产生的光束以片光源照亮所要测量的截面，CCD相机以垂直片光源的方向对准测量截面，利用示踪颗粒对光的散射作用，通过图像采集装置记录连续 2 次或多次脉冲激光曝光时的颗粒瞬态图像，提取测量截面内颗粒图像的帧序列，并记录相邻 2 帧图像序列之间的时间间隔，利用Insight 4G软件以及Tecplot Focus软件进行图像分析，得到示踪颗粒的瞬时速度、运动矢量等动态特征和截面流场特性。首先运行管道油液回路装置，使含多种颗粒污染物的油液在管道内分布均匀，启动激光发生器、微观照相机，激光发生器发射出激光通过导光臂形成片光照射到实验管道的主视面上，利用同步控制器使得激光发射的频率与微观照相机拍摄的频率统一，微观照相机拍摄片光中颗粒图像输入到计算机中进行分析计算 分别测量管路始端、管路中段和管路末端三个管段内颗粒污染物的瞬态图像。

4.2  含多种颗粒污染物的油样的配制

为了分析同一污染度时油液中颗粒污染物在水平方管内瞬时速度的变化情况，选择污染度等级为 17/13 的油液，测量时间为 0.13s 时水平方管内三个不同管段中颗粒瞬时速度沿径向距离和轴向距离的变化趋势。 管路始端内颗粒瞬时速度沿距离的分布 （1）管路始端内颗粒瞬时速度沿径向距离的分布 图 4.7 为管路始端内颗粒轴向和径向瞬时速度沿径向距离的分布。径向位置y=-76mm 位于测量截面的管道上方，y=-58mm 位于测量截面的管道下方；管路始端的轴向位置为 0～100mm，选择其中 6 个轴向位置，分别为 x1=33.86mm，x2=44.22mm，x3=54.59mm，x4=64.95mm，x5=75.31mm，x6=85.67mm，分析这6 个轴向位置处颗粒瞬时速度沿径向距离的变化趋势。

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第 5 章  结论及展望 

5.1  结论 

通过油液和颗粒污染物的动力学方程组的建立对水平方管进行了数值研究，分析了油液和颗粒污染物的运动特征，利用 LDV 和 PIV 实验系统分别实验研究了管径相同、管长为 300mm 和 500mm 的水平方管内颗粒污染物的速度动态特征，分别分析了 7 组和 5 组污染度等级时油液中颗粒污染物的瞬时速度、平均速度沿轴向距离和径向距离的分布特征。具体结论如下：（1）基于Euler-Lagrange方法、Realizable k − ε湍流模型和随机轨道模型，主要考虑颗粒污染物所受到的重力、曳力和Saffmann升力，对颗粒污染物进行了受力分析，再对粒污染物的合力使用Fouier级数进行随机处理，建立了油液和颗粒污染物的动力学方程组，并对水平方管内油中颗粒污染物进行了数值模拟。通过仿真模拟获得了油中颗粒污染物的运动特征，仿真模拟结果表明颗粒污染物浓度的分布主要受油液主流束、涡流作用和颗粒沉降的影响；颗粒污染物在流场中的运动状态影响流场的湍流情况，污染度等级越高时流场的瞬时速度也随之增大；油液初始速度变大时，流场的轴向和径向瞬时速度也随之增大。

5.2  展望 

本文仿真模拟了多种颗粒污染物在水平方管内的动态特性，利用 LDV 分析了单一颗粒污染物在水平方管内的动态特性，利用 PIV 颗粒图像测速仪分析了多种颗粒污染物在水平方管内的动态特性，获得了截面上颗粒污染物的瞬时速度和平均速度的分布特征，这些研究结果只是从点、面的角度进行获取油中颗粒污染物的动态特性，还可利用 3DPIV 装置从体的角度采集和分析油中颗粒污染物的运动特征，为油液中颗粒污染物的速度、轨迹的变化趋势的获取提供更加全面的基础。

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参考文献（略）

本文编号：106419