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基于CFD的避雷针塔风速流场数值模拟
引言
避雷针塔是一种用于防止闪电等大气电现象的防护设施。避雷针塔的设置目的是通过优异的导电性质将电荷引导到地面上，但是在针塔结构周围会形成明显的气流和湍流。因此，对于如何优化避雷针塔结构对于避雷针塔性能提升起到了至关重要的作用。本篇论文将介绍利用CFD技术对于避雷针塔风速流场进行数值模拟的结果。主要分为理论模型的建立、数值模拟结果分析和优化结构设计三个部分。
一、理论模型的建立
在模型建立前，需要进行以下步骤：
1.收集针塔结构的图纸或制作三维模型；
2.确定计算区域范围及所需计算的精度；
3.构建计算网格。
计算区域确定
该避雷针塔位于平缓的山谷中，相对应计算区域应选取针塔结构周围1000米范围内的空间。
计算网格
计算区域需被分解成一个个体积网格，体积网格通过连续的公式最终推导出流场的变化规律。这里采用了6Million细胞数的网格以达到足够的计算精度。
数值模拟
1.定义边界条件
将模型分为两部分，上部60m为避雷塔、下部为地面，两部分之间以地面与空气的交界面为分界线，边界类型包括上表面、地面和侧面边界条件。
2.设置流动参数
针塔周围风速为10m/s，环境湍流水平普通，流场运动粘度系数为1.85×10^-5m^2/s，冷却速度为0.1m/s，通过迭代法解决Navier-Stokes（NS）方程组得到基本变量的分布。
3.计算结果
对于计算模型进行了稳态模拟，计算结果包括静态压力的分布图、速度矢量图，发现在避雷针塔顶端的流场中存在瞬变现象。由于瞬变是由极端天气事件引起的，因此，对于此现象处理方案应更具体。
二、数值模拟结果分析
在数值模拟的结果中，静态压力的分布图及速度矢量图说明风从底部向避雷针塔上方吹起，同时呈现出较大的速度涡流及阻挡区域。当风速突然改变时，避雷针塔顶部的流场即发生瞬变现象。需要进一步对该现象进行处理。
三、优化结构设计
在数值模拟结果基础上，可以考虑针对性地进行优化结构设计。具体步骤如下：
1.根据目前数值分析的结果，针对针塔最容易发生翻倒等现象的地方进行提升，以进一步增强风险防范。
2.针对瞬变现象改善导体与电地不能粘连过紧的结构问题，以能够更好地承受电压和引导荷尔上电。
结论
通过建立CFD数值模型并进行参数模拟，可以有效的对避雷针塔风速流场进行预测，并对于模拟结果进行针对性的改进。同时，在现实应用中也可以沿用数值模拟的思路，通过构建计算优化改进结果，以更好的保障避雷针塔的使用效果。