第 1 章  緒論

長(zhǎng)期受熱和電場(chǎng)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(duì)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(dòng)還會(huì)對(duì)油液起反復(fù)剪切作用，降低油液粘度和潤(rùn)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(duì)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(chǎng)作用下規(guī)則排列形成導(dǎo)電小橋，會(huì)顯著降低油擊穿電壓。超高壓、特高壓設(shè)備中的金屬微粒或大顆粒雜質(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(huì)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(dòng)傳遞到整個(gè)流場(chǎng)，處于一種動(dòng)態(tài)的變化過程。因此，研究探索顆粒污染物在油液中的動(dòng)態(tài)特征和運(yùn)動(dòng)特性有利于對(duì)含顆粒污染物油液的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)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(shì)，采取有效的措施控制顆粒污染物，從而加強(qiáng)對(duì)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(duì)延長(zhǎng)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(chǎng)數(shù)據(jù)如速度、壓力、溫度等計(jì)算結(jié)果。流場(chǎng)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(chǎng)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(cè)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(dòng)態(tài)模擬流動(dòng)效果。本課題研究的是水平方管內(nèi)的油固兩相流場(chǎng)，，需要對(duì)流場(chǎng)建立幾何模型。選擇水平方管為研究對(duì)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(dòng)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(duì)稱軸上方的一半作為計(jì)算區(qū)域。水平方管內(nèi)的流場(chǎng)為 44×44mm，管路總長(zhǎng) 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(dòng)能和湍流耗散率的分布 ............. 82 
4.6  油中多種顆粒污染物的動(dòng)態(tài)特征的實(shí)驗(yàn)和仿真對(duì)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(chǎng)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(cè)量的截面，CCD相機(jī)以垂直片光源的方向?qū)?zhǔn)測(cè)量截面，利用示蹤顆粒對(duì)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(cè)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(dòng)矢量等動(dòng)態(tài)特征和截面流場(chǎng)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(dòng)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(cè)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(jí)為 17/13 的油液，測(cè)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(shì)。 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(cè)量截面的管道上方，y=-58mm 位于測(cè)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(shì)。

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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(dòng)力學(xué)方程組的建立對(duì)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(dòng)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(zhǎng)為 300mm 和 500mm 的水平方管內(nèi)顆粒污染物的速度動(dòng)態(tài)特征，分別分析了 7 組和 5 組污染度等級(jí)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(duì)顆粒污染物進(jìn)行了受力分析，再對(duì)粒污染物的合力使用Fouier級(jí)數(shù)進(jìn)行隨機(jī)處理，建立了油液和顆粒污染物的動(dòng)力學(xué)方程組，并對(duì)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(dòng)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(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響流場(chǎng)的湍流情況，污染度等級(jí)越高時(shí)流場(chǎng)的瞬時(shí)速度也隨之增大；油液初始速度變大時(shí)，流場(chǎng)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(dòng)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(dòng)態(tài)特性，利用 PIV 顆粒圖像測(cè)速儀分析了多種顆粒污染物在水平方管內(nèi)的動(dòng)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(dòng)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(dòng)特征，為油液中顆粒污染物的速度、軌跡的變化趨勢(shì)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(hào)：106419