单根和双分裂导线风噪声的数值模拟研究_沈国辉.pdf

振动与冲击 第 卷第 期 基金 项目 国家自然科学基金 浙江省自然科学基金 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 沈国辉 男博士副教授 年生 单根和双分裂导线风噪声的数值模拟研究 沈国辉 张扬 宋刚 王轶文 郑罛 浙江大学建筑工程学院杭州 浙江省电力设计院有限公司杭州 国家电网温州供电公司浙江温州 摘要针对单根和双分裂导线风噪声采用混合计算方法进行数值模拟基于导线的绞线结构进行建模获得单 导线风场和声场的分布特征并与同直径的光滑圆柱结果进行对比并针对水平和垂直布置双分裂导线风场和声场进行 研究研究表明导线的阻力系数和总声压级均小于光滑圆柱而斯特劳哈尔数大于光滑圆柱在卓越频率段导线和光滑 圆柱的风噪声呈现了明显的字形指向性而在远离卓越频率段呈现圆形指向说明导线和圆柱风噪声是一种偶极子声 源导线和光滑圆柱风噪声的总声压级总体呈圆形略呈字形分布垂直布置双分裂圆柱因相互之间无干扰总声压级 为两根单导线风噪声声压级之和垂直布置的双分裂导线风噪声略小于水平布置双分裂导线风噪声 关键词风噪声光滑圆柱双分裂导线数值模拟大涡模拟 中图分类号 文献标志码 风流经细长杆件后会在其后方形成交替的漩涡脱 落交替涡脱向周围空气产生压力波动从而形成气动 噪声该气动噪声在工程领域较为常见如列车受 电弓导线的风噪声等由于架空导线线路的选址无 法避开人口密集区域其产生的风噪声会影响着当地 居民的日常生活在世纪年代左右日本就有相 关报道近年来在国内温州某山区也出现了相关 投诉 导线风噪声的研究伴随着光滑圆柱风噪声的研 ChaoXing 究通常可采用风洞试验和数值模拟进行研究风洞 试验方面 进行了基于不同端板情况的圆柱噪 声风洞试验 等对比了不同形状椭圆杆在不 同风攻角下的风噪声特性 等在声学风洞 中进行了圆柱缠绕螺旋扰流线的风噪声试验张扬 等 通过风洞试验给出了导线和光滑圆柱风噪声的 特性数值模拟方面 等通过 模型和声类比方法进行了二维圆柱的 气动噪声模拟 等和 等通过二维大涡模 拟和声类比方法进行二维圆柱气动噪声的数值模拟沈 国辉等通过大涡模拟和声类比方法研究光滑圆柱的 风噪声正如导线风噪声的综述文献 所述目 前国内对导线风噪声的研究非常少而以往的数值模拟 均为针对光滑圆柱的风噪声对导线风噪声的数值模拟 研究几乎没有也没有针对分裂导线的风噪声研究 基于以上背景本文针对单根和双分裂导线风噪 声采用基于大涡模拟 和 方程声类比的混合计算方法进行模拟计算针对 导线的绞线结构进行建模和计算分析获得单根导线 的气动力特征和声场分布特征并与光滑圆柱的计算 结果进行对比分析最后研究了双分裂导线在水平和 垂直布置情况下的风场和声场特征计算结果为导线 和圆柱风噪声的研究提供参考 风噪声数值模拟的混合计算方法 混合计算方法利用 软件和声学软件对气动噪 声进行联合仿真计算本质仍为莱特希尔声类比方法 但可模拟更多复杂的噪声情形由于引入专业的声学 计算软件因此能对工程中气动噪声做出更全面的预 测并可考虑材料的声学特性获得更接近实际的声场 模拟混合计算方法的分析流程如图所示先进行 流体动力计算再进行声学计算对于本文研究的导线 风噪声而言因其采用二维模型进行计算且噪声主要集 中在中低频部分因此混合计算方法能很好地满足要求 图混合计算方法的流程 采用混合计算方法时流体动力计算部分可采用 方法为大涡模拟大涡模拟法介于直接数值模拟 和雷诺平均 方 程 方法之间 基于空间平均通过滤波 方程将湍流分解为可解尺 度湍流和不可解尺度湍流通过数值求解运动微分方 程捕捉可解大尺度涡的运动规律建立亚格子尺度应 力模型模拟小尺度涡的湍动能及对大尺度涡的影响 法可以很好地模拟流场的脉动细节特性显著降 低了计算流体力学中使用直接数值模拟时的运算量 同时获得了比非稳态 等更加精确的数值结果 流场和声场的物理量计算方法 对于导线或圆柱阻力系数 和升力系数的 计算公式分别为 式中 和分别为导线或圆柱所受到的阻力和升 力 为空气密度 为风速 为截面直径斯特劳 哈尔数也是一个重要的无量纲系数表征圆柱尾流 涡脱落的频率特性其定义为 式中 为涡脱的卓越频率 经流场计算获得收敛结果后通过 方程声 类比法进行声场分析风噪声来源于导线或圆柱附近 的流体压力波动即因固体表面脉动作用力 产生 故测点处时刻的声压 可表示为 式中 为声源到测点的距离 为声速根据风向可 将脉动作用力分解为阻力 和升力 圆柱风噪声 主要由升力控制故脉动作用力 可表示为 式中 为圆柱长度将式代入式可得采样点 处的等效声压为 [] 式中 为声源相关长度 为升力系数有效值 为辐射声波长 通过采样点处的声压时程可获得各频率的声压级 频谱特性等其中声压级 的定义为 振 动 与 冲 击年第卷 ChaoXing 式中为采样点的等效声压 为参考声压即人的 听觉下限声压为 通过对各个倍频段下的 声压级进行累加可得采样点处的总声压级 式中 为人的听觉下限频率 为人的听觉 上限频率 人耳对声音强弱的主观感觉不仅同声压级有关 还和频率和波形有关工程上常用 四种记权 特性表示其中 记权分别反映人耳对低频声 压中频声压高频声压的响度感觉记权专用于飞 机噪声的测量如图所示其中记权能反映了人 耳对噪声的主观感觉 图 计权特性曲线 单根导线的计算模型 为简化建模及对噪声原理进行分析排除过于复 杂的因素本文中建模所用绞线为圆形同心绞线不涉 及异形截面导线以最常见的 钢芯铝绞线 为例进行计算其截面如图所示导线外缘的直径 为 最内层为股钢芯最外圈为股 直径为 的铝绞线 图 导线截面形式 计算流场的网格划分如图所示上游区域取 下游尾流区取 以满足湍流充分发展的需要 上下两边界各距离截面圆心为 截面堵塞比为 整个网格划分区域分为个部分中间为加密 区加密区边界距离圆心约为 图为二维导线壁 面附近网格划分首层厚度为 在导线最外 层股子导线的小半圆采用了层的边界层网格 增长率为 在两半圆间的空隙部分内定义一个小划 分区边界为 格 图整个流场的网格划分 图导线表面的网格划分 流场左侧为入流边界风速为 右侧为出流 边界上下侧为对称边界整体网格数约为万个采 用 模型进行流场模拟计算时间步长为 共运行 步运用 方程声类比法进行声 场模拟声源相关长度为 验证壁面网格划分情况的一个重要参数为壁面 即经过无量纲化后表征首层壁面网格高度的参 数定义为 式中 为第一层网格形心高度 为壁面摩擦速度 为流体黏度图为模型壁面的分布情况由图 可知壁面基本小于 即网格划分满足 模 拟的要求 单根导线的计算结果 流场的计算结果 图给出了采用 模拟计算的 在 某典型时刻的涡量图图中涡量范围为 图中还给出了 直径光滑圆柱的 模型计算结 果其外径与 导线外径 非常接 第期沈国辉等单根和双分裂导线风噪声的数值模拟研究 ChaoXing 图 导线模型壁面 图导线与圆柱的涡量图对比 近圆柱的网格划分方法与 导线基本一致 由图可知 导线因表面存在起伏表面的粗糙度导 致在尾流区形成较分散的涡相比光滑圆柱尾流涡的 涡量更小 导线在下风向形成多个小涡而圆截面下 风向壁面附近则存在较大的涡即有较大的黏滞 导线截面近壁面附近流动更加复杂见图其 壁面的涡量分布如图所示由图可知在迎风向 气流未深入绞线间的狭缝区域内在横风向即截面上 下处湍流加强绞线外围几乎全已进入湍流区在 之后即出现漩涡脱落 图导线截面近壁面涡量图 表给出了 模拟计算的 导线和 圆柱的气动力系数为了比较还进行了基于 湍流模型的计算结果由表可知 由于导线外 表面的绞线外形特性其阻力系数小于光滑圆柱 本 文基于 模拟获得的光滑圆柱阻力系数大于 但 其结果和朱云祥等和 等的研究结果类似 本文基于湍流模型获得的光滑圆柱阻力系数约 为 与沈国辉等的研究结果一致 两种方法 和 模拟计算获得导线阻力系数小于光滑圆柱而 数大于光滑圆柱其原因为导线表面存在的粗糙度 改变了其周围的绕流特性 表导线和光滑圆柱的气动力系数比较 计算工况 本文 圆柱本文 本文 圆柱本文 声场的计算结果 由 流场模拟后通过 方程声类比方法获 得监测点处的声压信息得到导线和光滑圆柱在监测 点 即正下方 的声学参数如表 所示由表可知 在监测点处导线和光滑圆柱都 产生了可观的风噪声总声压级均大于 导线 的模拟结果比光滑圆柱小 用光滑圆柱比拟导 线进行风噪声计算会获得偏保守的结果 监测点处 导线风噪声的数也大于光滑圆柱风噪声数该结 果与表一致 导线和光滑圆柱风噪声卓越频率均 在 附近属于低频噪声具有很强的穿 透性 表导线和光滑圆柱的声场结果 计算方法总声压级 卓越频率 数 图给出了导线和光滑圆柱在监测点处的 倍 频程声压级和计权声压级由图可知 除了导 线卓越频率段约 外在 频段范 围圆柱的声压级均大于导线 在 频段范围导线的声压级大于光滑圆柱差距最大达到 发生在中心频率为 的 倍频程 振 动 与 冲 击年第卷 ChaoXing 造成这种现象的原因为导线表面因存在子线而形成 了粗糙度即产生了粗糙度噪声该现象在导线风洞 试验中也有发现 基于计权的声压级分布对低 频信号有很多的衰减总体分布与不计权声压级基 本一致 图圆柱和导线的 倍频程声压级 通过环绕导线和圆柱的多监测点数据可获得导线 和圆柱风噪声的声学指向性其中总声压级的指向性 如图所示由图可知监测点位于距导线和圆 柱中心 约为 的圆面上为来流方 向为出流方向和分别为横风向上部和下 部同时 对于总声压级风噪声的总体分布略微呈 现字形符合偶极子声源的特征 导线和圆柱均在 横风向上取得最大值均约为 在顺风向取得最 小值其中导线约为 圆柱约为 图圆柱和导线的总声压级指向性 图和图分别给出了导线和圆柱在监测点 距导线和圆柱中心 处中心频率 和 频段的风噪声方向分布由图和 图可知 对于 的中心频率声压级风噪声的 能量很小声压级在 其方向分布略呈字 形分布其中圆柱更加明显 对于 的中心频率 声压级呈现了明显的字形指向性横风向声压级达 到 左右同总声压级几乎相同表明横风向处的 风噪声几乎由升力方向的偶极子声源产生同时具有 极高的噪声能量该频段在顺风向处的声压级骤减至 左 右 对 于 远 离 卓 越 频 率 的 较 高 频 区 噪声声压级在各个方向上均较小噪声略 呈横字形分布但也较为均匀表明阻力方向偶极子 声源有一定影响 对比导线和光滑圆柱的声学特征 可见两者的噪声方向分布基本相同导线的声压级略 小于光滑圆柱的声压级 图 导线风噪声的方向分布 第期沈国辉等单根和双分裂导线风噪声的数值模拟研究 ChaoXing 图 圆柱风噪声的方向分布 双分裂导线的风噪声计算结果 双分裂导线的网格划分 由于双分裂导线的计算量大采用绞线结构进行 网格划分计算代价很大且收敛困难根据前面的结 果可采用同尺寸的光滑圆柱来比拟导线的风噪声因 此本节对双分裂导线的情况采用圆截面进行模拟双 分裂导线通常有垂直布置和水平布置两种分裂间距 根据常见工程情况取 对这两种情况分别建立计 算模型网格划分如图所示圆截面壁面设置 层边界层增长率为 首层网格厚度为 两个圆截面完全相同网格划分采用图中所示的加密 区加密区边界距离各自圆心为 流场左侧为速度 入流边界距离圆心为 右侧为压力出流边界距 离圆心为 上下侧为对称边界分别距离较近圆心 为 风速为 流场计算采用 模拟声场 计算采用 声类比方法设定时间步长为 共运行 步 图双分裂情况的网格划分 流场的计算结果 图为垂直布置双分裂导线的涡量示意图涡 图垂直布置双分裂导线的涡量示意图 量频率为 可见两根子导线因距离太远 尾流并没有相互干扰而是保持各自的流场特性即此 时两根子导线的绕流特性与单根相同 图为水平布置双分裂导线流场瞬态涡量示意 图涡量范围为 由图可知 虽然前 后圆柱相距较远 但上游子导线形成的 漩涡影响了下游子导线的情况使得下游子导线漩涡 脱落同上游子导线和单导线均不相同 上游子导线 的漩涡脱落表现为完整的大尺度较规则的脱落涡旋 下游子导线涡脱则变得杂乱无章扩散范围也更宽 图给出了水平布置双分裂子导线截面阻力系 数和升力系数对比从图可知 下游圆柱因受到 上游尾流干扰阻力系数小于上游圆柱 模拟上 游圆柱阻力系数均值约 与 光滑圆柱结果接 振 动 与 冲 击年第卷 ChaoXing 近下游圆柱阻力系数均值减小至约 下游圆柱 升力系数波动均基本略小于上游圆柱其原因为上游 尾流的影响产生了该现象 图水平布置双分裂导线的涡量示意图 图水平布置双分裂导线的阻力系数和升力系数 声场结果分析 表给出了垂直和水平布置双分裂导线在监测点 处的声学参数表同时给出了单根 光滑圆柱的结果由表可知 垂直布置的双 分裂导线风噪声略小于水平布置双分裂导线风噪声 差距为 其原因为水平布置双分裂的后方圆柱 受到前方湍流干扰后产生湍流应力更大导致产生更大 的风噪声 垂直布置双分裂圆柱因相互之间无干扰总 声压级基本是单圆柱风噪声声压级之和两相同声压级 相加所得声压级增大 即 图给出了水平布置和垂直布置双分裂导线在 监测点处的风噪声 倍频程谱同时还给出了单导 线的计算结果由图可知 在卓越频率 表双分裂导线的声场结果 计算方法总声压级 垂直布置双分裂 水平布置双分裂 圆柱 图双分裂导线声压级的比较 附近水平布置双分裂导线出现了两个尖峰频段其中 第一个尖峰频段声压级为 第二个尖峰频段声 压级为 几乎相等原因为水平布置双分裂导 线之间存在相互干扰而存在不同的卓越频率但差距 不大 垂直布置双分裂和单导线均在 附近只 有一个尖峰频段声压级为 频段同单导线卓 越频段相同且声压级基本与单圆柱声压级 差距为 表明垂直双分裂圆柱因各自之间没有干 扰风噪声的频谱特性基本同单圆柱风噪声相同在卓 越频率处的风噪声大小即为两单圆柱的风噪声大小之 和 水平布置分裂导线和垂直布置在高频段大于 比较接近均显著大于单根导线 基于计 权的声压级分布对低频信号有很多的衰减总体分布 与不计权声压级基本一致 总体而言水平布置的双 分裂导线风噪声略微大于垂直布置的双分裂导线 结论 本文基于混合计算方法研究单双分裂导线的风 噪声特性主要结论有 针对导线绞线外形进行精细化建模和计算 第期沈国辉等单根和双分裂导线风噪声的数值模拟研究 ChaoXing 结果表明导线的阻力系数小于光滑圆柱漩涡脱落的 数大于光滑圆柱其原因为导线表面存在的粗糙度 改变了其周围的绕流特性 除了在导线的卓越频率段在 频 段光滑圆柱的声压级均大于导线在 频段范围导线的声压级大于光滑圆柱导线的总声压 级比光滑圆柱小 对于总声压级导线和光滑圆柱风噪声的总 声压级总体上呈字形分布体现了偶极子声源的特 征在横风方向位置取得最大值对于 的中心频 率声压级呈现了明显的字形指向性表明横风向处 的风噪声几乎由升力方向的偶极子声源产生 垂直双分裂圆柱因相互之间无干扰总声压 级基本是单导线风噪声声压级之和同时垂直布置的 双分裂导线风噪声略小于水平双分裂导线风噪声差 距为 其原因为水平双分裂的后方圆柱受到前 方湍流干扰产生后湍流应力更大导致产生更大的风 噪声 在卓越频率附近水平布置双分裂导线出现 了两个尖峰频段两个尖峰频段的声压级非常接近原 因为水平布置双分裂导线之间存在相互干扰而存在不 同的卓越频率垂直布置双分裂导线和单导线均在卓 越频率附近出现一个尖峰频段 参 考 文 献