脉动风场覆冰导线动态气动力特性研究_韦远武(1).pdf

振动与冲击 第 卷第 期 基金项目 贵州电网有限责任公司输电运行检修分公司输电线路直流融 冰短接操控系统研究与应用吉林省科技发展计 划项目 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 韦远武 男硕士高级工程师 年生 通信作者 王璐 女硕士生 年生 脉动风场覆冰导线动态气动力特性研究 韦远武 虢韬 张鹏程 杨刘贵 严尔梅 徐梁刚 王璐 祝贺 贵州电网有限责任公司输电运行检修分公司贵阳东北电力大学研究生院吉林 吉林 摘要导线在覆冰后成为非圆截面周围压力与流速分布复杂化采用准静态假设分析动态的覆冰导线舞动理 论公式的传统方法局限性较强充分考虑风场的动态变化基于弱耦合方法利用 进行二次开发编程控制导线舞 动轨迹攻角和风速变化进行编程控制并结合重叠网格技术实现覆冰导线静态与动态气动力模拟分析气动力系数特性 及规律仿真结果表明当平均风速相同时湍流度为的脉动风工况下的气动力系数与定常风场气动力系数变化趋 势相同但在风攻角附近时发生突变导线横向舞动时的动态气动力系数明显大于静态值以风攻角为分析对象 导线扭转振动导致气动力系数和频率降低覆冰导线舞动时动态气动力系数变化复杂工程中采用静态气动力系数预测 舞动幅值及张力有所误差 关键词脉动风场动态气动力系数二次开发重叠网格横扭耦合 中图分类号 文献标志码 输电导线在冻雨等恶劣气象环境下覆冰在实时变换的风场中容易发生低频高幅的舞动现象危害着 输电线路的安全运行在舞动机理的理论研究方面 的横向舞动机理 等的扭转舞动 机理和 等的惯性耦合机理等在国际上被普遍 接受 研究发现覆冰导线复杂的气动特性对覆冰导线 的舞动响应至关重要覆冰导线的横扭耦合现象导致 气动力随导线运动轨迹不断变化而多数学者将准静 态假设下的试验和仿真结果用于舞动的动力响应分 析 等 对比分析了新月形覆冰导线静态 和动态气动力的差异李万平通过试验验证了三分 裂覆冰导线的静态气动力系数在驰振分析中的适用 性张等在静态试验基础上完成了动态气动力仿 真主要针对舞动频率幅值和扭振三参数的影响楼 文娟等 基于特征值摄动法在试验中改变横扭自 振频率提出覆冰分裂导线横扭三自由度稳定性判断 条件式文献 均考虑了定常风场下导线横向 与扭转运动的耦合效应忽略了随机变化风场对气动 力的影响 楼文娟等根据三维随机流场生成方法建立脉 动风场下对覆冰导线舞动模型提取舞动响应后发现 舞动最大振幅明显提高任军利用仿真软件进行二 次开发研究了正弦风场下覆冰导线动态气动力徐 倩等采用风洞试验研究发现不同湍流度下覆冰导 线的空气动力系数存在较大差异文献采用的正 弦动态风场与实际风场差异较大文献考虑了受 地面粗糙度影响的实际脉动风场却未能结合导线舞 动轨迹进行进一步的动态气动力分析 采用数值方法在 中进行二次开发对导线 的舞动轨迹及脉动风场进行编程控制并结合重叠网 格技术实现基于弱耦合的单向流固耦合模拟研究脉 动风场下覆冰导线横扭耦合运动时的动态气动力系数 的变化规律 建立动态仿真模型 流域模型与网格划分 建立新月形覆冰导线模型如图所示导线直径 为 覆冰厚度为 覆冰导线截面对称轴 与水平线夹角为风攻角图展示了风攻角为时的 覆冰模型脉动风平均风速为 为了减小流域边 界对覆冰导线边界的阻塞影响保证流场变化在覆冰 导线尾流区域的精确计算域长 宽 阻塞率为 小于允许值其 中为导线直径坐标原点位于导线中心研究风攻角 在 变化时相应的动态气动特性设置风攻角 变化间隔为 以定常风场下覆冰导线静态气动力为参照共设 置三种工况进行仿真具体设置如下 工况一定常风场 采用结构化网格技术对流 场域进行网格划分网格最大尺寸 导线周围加 密处理网格尺寸 工况二脉动风场网格划分同工况一入口边界 速度采用 文件输入均速为 湍流度为 的脉动风脉动风持续 共计算 工况三脉动风场重叠网格动态气动力 采用 结构化重叠网格划分技术以保证网格质量和计算精 度背景网格与部件网格保持大小一致保证网格运动 时能够精确嵌套导线前景网格最大网格尺寸为 导线边界进行加密处理最小网格尺寸 增长 率 运动域内的背景网格同样进行加密处理网格 尺寸 计算步长 迭代步为步共计算 出口为压力出口上下两侧为对称边界条件覆冰 导线表面曲线为壁面部件域外围曲线类型为 创建重叠网格并实现网格运动时的实时嵌套新月形 覆冰模型及网格嵌套如图所示 图覆冰模型及重叠网格组装 脉动风模拟 考虑线路的实际运行环境大气功率谱随高度的 变化基于良态风谱中的 谱来进行脉动风模拟 计算式如下 式中为高度为地面粗糙度系数 为标准高度为 处的平均风速为频率 为覆冰导线所在高度 处的平均风速 图所示为使用 进行编程的脉动风模拟算 法流程图得到脉动风模拟时程数据后与梯度风对 应的平均风速叠加即可得到导线所处高度的实际风速 时程曲线进行风速数据统计分析可得到湍流度 图脉动风模拟算法流程图 图所示为提取 的脉动风速时程曲线提取图 第期韦远武等脉动风场覆冰导线动态气动力特性研究 所示数据编辑 文件控制入口风速变化采用 暂态无周期数据时间间隔 为风 速数据点矩阵具体格式如下 图脉动风速时程曲线图 舞动轨迹控制 设定覆冰导线舞动平面内舞动模式为斜椭圆其 运动参数化方程可表示为 { 式中和分别为椭圆轨迹长半轴与短半轴长度 为导线振动圆频率 为椭圆长轴与轴正方向之间的 夹角 为导线扭转角为扭转振幅 图舞动轨迹示意图 图所示为背景网格和部件网格的定义以及覆冰 单导线舞动轨迹图部件网格在运动过程中与背景网 格实时嵌套最右边的覆冰网格为初始位置导线逆 时针转动从最下方的覆冰网格逆时针开始个位置 分别对应 和 根据式在 中进行编程控制导线舞动轨 迹采用文献中的振幅和频率设置档距为 频率 逆时针方向舞动斜椭圆偏斜角为 椭 圆长半径 短半径 总时长 个周期 程序如下所示 程序中通过宏 规定运 动规律 为文件名字 分别为 轴和轴的速度值 为导线绕轴的角速度 默认为坐标原点即裸导线的几何中心点 为时间步 为运动时间程序通过编译的方式读 入 在 中作出相应设置即可控制 覆冰导线前景网格的运动轨迹 计算结果及分析 气动力系数 提取各个攻角时的气动力三参数并绘制气动力 系数随时间变化曲线如图所示 图 和图分别为工况一工况三气动力 系数随风攻角变化的对比图可以看出设置风速入口 为湍流度为的脉动风时动态气动阻力系数呈中间 高两端低的半波形状在左右时出现正值尖峰 时气动阻力系数要小于时气动阻力系数同时在 图气动力系数对比分析图 振 动 与 冲 击年第卷 左右时气动阻力曲线在脉动风场下相较定常风场 下出现一定的凹陷动态气动升力系数呈现波状变化 趋势在 减小之后有所增大在风攻角 后出现了气动升力负值同时在时突增了 左 右气动特性变化明显工况三在工况二的基础上设 置了覆冰单导线舞动轨迹得到的动态气动力系数整 体变化趋势不变气动阻力系数整体增长 左 右气动升力系数整体增长 左右 图 和图分别为三种工况下气动升力系数 和阻力系数随时间变化曲线工况一时气动系数很快趋 于稳定工况二时气动阻力系数随着入口风速有所起伏 变化趋势相近气动升力系数上下起伏随着风速稳定而 逐渐趋于稳定工况三时覆冰导线按照斜椭圆轨迹运动 气动系数呈现出明显的 周期的变化趋势 压力和速度云图 以为具体分析对象图所示为静动态覆冰 导线在一个周期内不同位置时的速度和压力云图导 线舞动轨迹为 因此选取 和 时的云图进行展示 图静动态速度与压力云图 以图 中静态值为参考值图 和图 中导线的水平振动速度值为负合成后的实际迎风速 度增大驻点压力增加分离点向覆冰一侧偏移垂直 方向振动速度值为正负压增大导线底部负压亦有所 增大其中 时导线竖向振动速度较大背风侧出现 正压区观察速度云图可知背风侧气流紊乱现象明 显同时可看到尾流斜向下偏移 图和图 中覆冰导线的水平振动速度值 为负合成后的实际迎风速度减小驻点压力减小且 分离点向覆冰端远离底部分离点后移但覆冰侧的分 离点偏移较小背风面负压区的压力与静态时相近因 此阻力变化不明显垂直方向振动速度向下压力减 小由于底部形状为圆弧底部负压区域减小顶部负 压区域增大升力略有增加同时可看到尾流斜向上 偏移 沿着覆冰导线边界创建路径曲线起点为左侧半 圆与椭圆交界点路径方向为逆时针选取该曲线上对 应压力值并绘制覆冰导线压力分布图如图所示其 压力分布趋势与大小同图中的压力分布云图一一 对应 图静动态压力分布比较 横扭耦合仿真分析 气动力系数 覆冰导线舞动主要包括横向和扭转运动工况四 在工况二的基础上通过编程控制导线扭转设定扭转 频率为 扭转幅度为 工况五在工况三横 向运动基础上添加扭转运动提取攻角时的气动力 系数并绘制气动力系数随时间变化曲线如图所示 由图 可知导线扭转时阻力系数随之起伏变 化其变化频率为 与扭振频率 相近阻 力系数均值相较工况二减小了 导线横扭耦合振 动时其变化频率为 与横向运动频率 相近阻力系数均值相较工况三减小了 这是由 于扭转时攻角在变化时阻力系数起伏 较低维持在较小数值在时陡增比较工况 四和工况五可知横扭耦合振动相较导线扭振而言阻 第期韦远武等脉动风场覆冰导线动态气动力特性研究 力系数均值增加了 图气动力系数时程曲线 由图可知导线扭转时升力系数随之起伏变 化其变化频率为 与扭振频率 相近升 力系数均值相较工况二增加了 导线横扭耦合振 动时其变化频率为 与横向运动频率 相近升力系数均值相较工况三减小了 比较工 况四和工况五横扭耦合振动相较导线扭振而言升力 系数均值增加了 压力和速度云图 以风攻角为分析对象图所示为覆冰导线在 横扭耦合运动时一个周期内不同位置不同风攻角时 的压力和速度云图分别选取 和 时的云图进行展示对应风攻角分别为 和 由图可知覆冰导线横扭耦合运动时压力分布 和速度场同时受导线位置和攻角角度影响云图层次 更多等值线紧密流场变化复杂 结论 利用 软件进行二次开发对脉动风场与覆 冰导线舞动轨迹进行编程控制结合重叠网格技术对 覆冰导线动态气动力系数进行仿真分析得到以下 结论 湍流度为的脉动风场作用于覆冰导线时 气动力系数整体趋势相近但在风攻角时出现 突变 脉动风场下新月形覆冰导线横扭耦合振动的 动态气动力系数大于静态值气动阻力系数整体增长 左右气动升力系数整体增长 左右 图横扭耦合压力和速度云图 考虑覆冰导线扭转效应研究发现风攻角为 时导线扭转导致气动力系数降低但横扭耦合相 较扭振而言气动力系数明显增加 考虑到脉动风场下覆冰导线横扭耦合振动的 复杂气动力特性基于准静态假设的气动力系数偏小 导致覆冰导线舞动幅值和动态张力的计算结果偏于保 守尤其是风攻角左右时出现的动态气动力系数 突变现象将扩大起舞风攻角范围更易发生扭转发散 和大幅舞动实际工程应用中应考虑动态气动力特性 对覆冰导线舞动的影响 参 考 文 献 振 动 与 冲 击年第卷 蔡萌琦严波吕欣等覆冰四分裂导线空气动力系数数 值模拟 振动与冲击 李万平覆冰导线群的动态气动力特性 空气动力学 学报 张杨秀萍郝淑英覆冰导线动态气动力特性模拟与 分析 振动与冲击 楼文娟余江姜雄等覆冰导线三自由度耦合舞动稳定 性判定及气动阻尼研究 土木工程学报 姜雄楼文娟三自由度体系覆冰导线舞动激发机理分析 的矩 阵 摄 动 法 振 动 工 程 学 报 楼文娟姜雄杨伦三维瞬态风场下覆冰导线舞动响应 研究 振动与冲击 任军正弦风场覆冰导线动态气动力特性研究 天 津天津理工大学 徐倩蔡萌琦周林抒等湍流度对覆冰八分裂导线舞动 的影 响 分 析 空 气 动 力 学 学 报 范孜覆冰分裂导线的动力学特性研究 天津天津 理工大学 严波胡景周松等覆冰四分裂导线舞动数值模拟及参 数分析 振动工程学报 上接第页 贾九红胶泥缓冲器的耗能机理研究与设计 上海 上海交通大学 常崇义王成国刘金朝等铁道车辆缓冲器弹性胶泥粘 弹性参数的数值反演 中国铁道科学 周光强杨丽娜杨爱军等弹性胶泥特性及其缓冲器的 研究进展 有机硅材料