第 1 章  緒論

長期受熱和電場的作用使得變壓器油中的添加劑與絕緣材料發(fā)生一系列水解反應(yīng)，分解出的微水加速金屬的腐蝕，形成的銅、鐵顆粒反過來又對變壓器油產(chǎn)生催化氧化的效果，顆粒氧化物和微水促使油品劣化程度變得嚴(yán)重。同時(shí)，油液中顆粒污染物的不規(guī)則運(yùn)動還會對油液起反復(fù)剪切作用，降低油液粘度和潤滑性，催化油液氧化變質(zhì)，縮短油液的使用壽命[8]。雜質(zhì)顆粒對變壓器油電氣性能的影響也非常明顯，大量的非金屬顆粒污染物在電場作用下規(guī)則排列形成導(dǎo)電小橋，會顯著降低油擊穿電壓。超高壓、特高壓設(shè)備中的金屬微�；虼箢w粒雜質(zhì)易受重力作用沉降在變壓器繞組或絕緣紙上，嚴(yán)重時(shí)會引起繞組匝間短路，造成重大事故[9]。 變壓器油中顆粒污染物的體積分?jǐn)?shù)往往小于 10-12%，顆粒非常稀薄，大部分顆粒污染物懸浮于變壓器油中，隨著油液的流動傳遞到整個(gè)流場，處于一種動態(tài)的變化過程。因此，研究探索顆粒污染物在油液中的動態(tài)特征和運(yùn)動特性有利于對含顆粒污染物油液的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評估，掌握固體顆粒污染物在油液中遷移的軌跡、速度、加速度和濃度等特性的分布規(guī)律和變化趨勢，采取有效的措施控制顆粒污染物，從而加強(qiáng)對油液的顆粒污染監(jiān)控，及時(shí)準(zhǔn)確判別油液中顆粒污染物的種類和含量、顆粒污染度等情況，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器的潛伏隱患，對延長油液的使用壽命、減少設(shè)備的運(yùn)行事故具有重要的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。  

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第 2 章  油中顆粒污染物的數(shù)值模擬

2.1  油中顆粒污染物的動力學(xué)方程組

由于油固兩相流的顆粒雷諾數(shù)較小，還可利用岑可法的全雷諾數(shù)范圍球形顆粒曳力系數(shù)表達(dá)式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，如表 2.1 所示，該表根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)研究，將顆粒雷諾數(shù)從 0 到無窮大的適用范圍分為 10 個(gè)區(qū)間，提供了相應(yīng)的球形顆粒曳力系數(shù)表達(dá)式，其準(zhǔn)確性高于全區(qū)域通用的經(jīng)驗(yàn)公式。在水平管道流動的中心區(qū)域，流體速度梯度小，此時(shí) Saffman 力可視為 0，但是在管道的突擴(kuò)端和突縮端處油液的速度梯度較大，Saffman 力比較明顯，因此需要對該力加以計(jì)算，才能更加準(zhǔn)確地描述顆粒污染物的行為。

2.2  仿真模型的建立

使用 Fluent  軟件來求解相關(guān)流體方程組，獲得各種流場數(shù)據(jù)如速度、壓力、溫度等計(jì)算結(jié)果。流場數(shù)據(jù)既可以直接在 Fluent 內(nèi)置后處理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，也可以利用 Workbench  、CFD-Post、Tecplot  等專業(yè)后處理軟件得到更高質(zhì)量的圖片，可以根據(jù)自身需求設(shè)截面得到流場中溫度、速度、壓力等各種變量的等值線圖和云圖，速度的矢量圖和流線圖，粒子軌跡圖、XY 散點(diǎn)圖等，通過設(shè)置監(jiān)視窗口在線監(jiān)測所求變量的變化情況，也可生成文字形式的報(bào)告，還可以通過 Fluent 的Autosave 功能得到動態(tài)模擬流動效果。本課題研究的是水平方管內(nèi)的油固兩相流場，，需要對流場建立幾何模型。選擇水平方管為研究對象，在 Geometry 模建模工具中建立三維物理模型，由于軸兩側(cè)的流動形態(tài)基本相同，建模過程中為了減少計(jì)算量，選取水平方管沿對稱軸上方的一半作為計(jì)算區(qū)域。水平方管內(nèi)的流場為 44×44mm，管路總長 L 為 500mm，其中管路兩端為 φ24mm×8mm 的進(jìn)出口。z 軸為油液主流束方向，y 軸為豎直方向。 

第 3 章  油中單一顆粒污染物的 LDV 實(shí)驗(yàn)研究 ............ 32 

3.1   LDV 原理與實(shí)驗(yàn)方法 .............. 32 
3.2  含單一顆粒污染物的油樣的配制 ............ 35 
3.3  油中單一顆粒污染物的瞬時(shí)速度分析處理方法 .......... 35 
3.4  油中單一顆粒污染物的瞬時(shí)速度分布特征 ................ 39 
3.5  油中單一顆粒污染物的平均速度的變化規(guī)律 ......... 48 
3.6  小結(jié) ............ 51 
第 4 章  油中多種顆粒污染物的 PIV 實(shí)驗(yàn)研究 ........ 53 
4.1   PIV 工作原理與實(shí)驗(yàn)方法 .................. 53 
4.2  含多種顆粒污染物的油樣的配制 ............... 55 
4.3  油中多種顆粒污染物的瞬時(shí)速度分布特征 ....... 56 
4.4  油中多種顆粒污染物的平均速度的變化規(guī)律 .................. 77 
4.5  油中多種顆粒污染物顆粒湍動能和湍流耗散率的分布 ............. 82 
4.6  油中多種顆粒污染物的動態(tài)特征的實(shí)驗(yàn)和仿真對比驗(yàn)證 ........... 85 
4.7  小結(jié) ............ 87
第 5 章  結(jié)論及展望 .................. 89 
5.1  結(jié)論 .......... 89 
5.2  展望.. 90

第 4 章  油中多種顆粒污染物的 PIV 實(shí)驗(yàn)研究

4.1   PIV 工作原理與實(shí)驗(yàn)方法

PIV的工作原理是在流場中均勻散播跟隨性和散射性良好的示蹤顆粒，將激光器產(chǎn)生的光束以片光源照亮所要測量的截面，CCD相機(jī)以垂直片光源的方向?qū)?zhǔn)測量截面，利用示蹤顆粒對光的散射作用，通過圖像采集裝置記錄連續(xù) 2 次或多次脈沖激光曝光時(shí)的顆粒瞬態(tài)圖像，提取測量截面內(nèi)顆粒圖像的幀序列，并記錄相鄰 2 幀圖像序列之間的時(shí)間間隔，利用Insight 4G軟件以及Tecplot Focus軟件進(jìn)行圖像分析，得到示蹤顆粒的瞬時(shí)速度、運(yùn)動矢量等動態(tài)特征和截面流場特性。首先運(yùn)行管道油液回路裝置，使含多種顆粒污染物的油液在管道內(nèi)分布均勻，啟動激光發(fā)生器、微觀照相機(jī)，激光發(fā)生器發(fā)射出激光通過導(dǎo)光臂形成片光照射到實(shí)驗(yàn)管道的主視面上，利用同步控制器使得激光發(fā)射的頻率與微觀照相機(jī)拍攝的頻率統(tǒng)一，微觀照相機(jī)拍攝片光中顆粒圖像輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行分析計(jì)算 分別測量管路始端、管路中段和管路末端三個(gè)管段內(nèi)顆粒污染物的瞬態(tài)圖像。

4.2  含多種顆粒污染物的油樣的配制

為了分析同一污染度時(shí)油液中顆粒污染物在水平方管內(nèi)瞬時(shí)速度的變化情況，選擇污染度等級為 17/13 的油液，測量時(shí)間為 0.13s 時(shí)水平方管內(nèi)三個(gè)不同管段中顆粒瞬時(shí)速度沿徑向距離和軸向距離的變化趨勢。 管路始端內(nèi)顆粒瞬時(shí)速度沿距離的分布 （1）管路始端內(nèi)顆粒瞬時(shí)速度沿徑向距離的分布 圖 4.7 為管路始端內(nèi)顆粒軸向和徑向瞬時(shí)速度沿徑向距離的分布。徑向位置y=-76mm 位于測量截面的管道上方，y=-58mm 位于測量截面的管道下方；管路始端的軸向位置為 0～100mm，選擇其中 6 個(gè)軸向位置，分別為 x1=33.86mm，x2=44.22mm，x3=54.59mm，x4=64.95mm，x5=75.31mm，x6=85.67mm，分析這6 個(gè)軸向位置處顆粒瞬時(shí)速度沿徑向距離的變化趨勢。

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第 5 章  結(jié)論及展望 

5.1  結(jié)論 

通過油液和顆粒污染物的動力學(xué)方程組的建立對水平方管進(jìn)行了數(shù)值研究，分析了油液和顆粒污染物的運(yùn)動特征，利用 LDV 和 PIV 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分別實(shí)驗(yàn)研究了管徑相同、管長為 300mm 和 500mm 的水平方管內(nèi)顆粒污染物的速度動態(tài)特征，分別分析了 7 組和 5 組污染度等級時(shí)油液中顆粒污染物的瞬時(shí)速度、平均速度沿軸向距離和徑向距離的分布特征。具體結(jié)論如下：（1）基于Euler-Lagrange方法、Realizable k − ε湍流模型和隨機(jī)軌道模型，主要考慮顆粒污染物所受到的重力、曳力和Saffmann升力，對顆粒污染物進(jìn)行了受力分析，再對粒污染物的合力使用Fouier級數(shù)進(jìn)行隨機(jī)處理，建立了油液和顆粒污染物的動力學(xué)方程組，并對水平方管內(nèi)油中顆粒污染物進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過仿真模擬獲得了油中顆粒污染物的運(yùn)動特征，仿真模擬結(jié)果表明顆粒污染物濃度的分布主要受油液主流束、渦流作用和顆粒沉降的影響；顆粒污染物在流場中的運(yùn)動狀態(tài)影響流場的湍流情況，污染度等級越高時(shí)流場的瞬時(shí)速度也隨之增大；油液初始速度變大時(shí)，流場的軸向和徑向瞬時(shí)速度也隨之增大。

5.2  展望 

本文仿真模擬了多種顆粒污染物在水平方管內(nèi)的動態(tài)特性，利用 LDV 分析了單一顆粒污染物在水平方管內(nèi)的動態(tài)特性，利用 PIV 顆粒圖像測速儀分析了多種顆粒污染物在水平方管內(nèi)的動態(tài)特性，獲得了截面上顆粒污染物的瞬時(shí)速度和平均速度的分布特征，這些研究結(jié)果只是從點(diǎn)、面的角度進(jìn)行獲取油中顆粒污染物的動態(tài)特性，還可利用 3DPIV 裝置從體的角度采集和分析油中顆粒污染物的運(yùn)動特征，為油液中顆粒污染物的速度、軌跡的變化趨勢的獲取提供更加全面的基礎(chǔ)。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：106419