扰流防舞器气动力特性数值模拟.pdf

第 1卷第 1 期 2 0 0 9年 9月 Vn 1 ．1 No ． 1 S e p． 2 0 09 扰流 防舞器气 动 力特性数值模拟 浙江大学结构工程研究所， 浙江杭州 3 1 0 0 5 8 【 摘要】为了研究扰流防舞器对覆冰输电导线气动力的影响及其防舞效果， 利用计算流体动力学技术 C F D 模 拟 了新月形覆冰导线截 面的气动 力曲线 ， 计算 了安 装扰 流防舞 器后新 月形覆冰 导线一个 节距 内8个等分截 面的平 均气动力曲线。计算 结果表 明 安装扰 流防舞 器后 导线 的阻力系数显著增 大， 升力 系数 曲线没有 明显 变化 ， 扭矩 系 数曲线 负斜率的绝对值 减小； 扰 流防舞器具有防舞作用。 【 关键词】舞动； 计算流体动力学； 扰流防舞器； 防舞； 覆冰导线 【 中图分类号】T P 3 9 1 ． 9 T M 7 2 6 ． 1 f 文献标识码】 A 【 文章编号j 1 6 7 4 7 4 6 1 2 0 0 9 0 1 0 0 6 70 5 l 引言 风吹向因覆冰而使截 面变 为非圆形截 面的输 电导线时， 在一定条件下 ， 导线会产生一种低频 、 大 幅度的自激振动舞动。舞动的振幅大 ， 持续时 问长 ， 会 引起 跳 闸甚 至 断线 、 倒 塔 等严 重 输 电事 故⋯。为了减小舞动的危 害， 人们提 出了压重 、 失 谐摆 、 阻尼器以及扰流防舞器等多种 防舞措施 。由 于舞动的复杂性 ， 目前还没有一种普遍适用 的防舞 措施 ， 各种 防舞措施 的防舞效 果也 还需要 进一 步 研究 。 扰流防舞器是一种采用金属或塑料制作 的、 螺 旋缠绕在导线上的扰流绳 ， 它与导线组成 的合成体 的各个 截 面彼此不 同， 即使覆 冰后 也是 如此。这 样， 各个截面所受的空气动力就会 因互不相同而相 互抵消 ， 达到抑制舞动的 目的。安装 了扰流防舞器 的导线模型如图 1 所示。美国线路预制器件公司于 1 9 7 9年最早研 制了一种 总长度 为 4 ． 3 m， 两端为握 固段 ， 中间为长 3 ． 6 m的螺旋缠绕两圈的干扰段 j 。 国内恽俐丽、 刘文杰等曾对扰流防舞器分别进行过 理论 、 试验研究 ， 他们 的研究 结果表 明扰流 防舞器 具有显著的防舞效果 儿 。 本文采用计算 流体动力学 C F D 技术模拟 了 新月形覆冰导线及 安装 了扰 流防舞器的覆冰导线 的气动力特性曲线 ， 分析了扰流防舞器 的防舞效果 。 圈 1 执 流 防舞 器 2 覆冰输 电导线气 动力特性数值模拟 2 。 1数值计 算 方法 描述流体运 动的基 本方程是质 量守恒方程及 动量守恒方程 ， 它们均可以用通用方程来表示 d i p H d i r 口 5 1 a 。 一 式 中， 西为通用变量 ， 可以代表速度 及压力 P 等求解变量 ； P为流体密度 ； F为广义扩散系数； S 为 广义 源项 。 为了求解流场 内各点的速度及压力 ， 采用有 限 体积法将速度 、 压力等变量对应 的控制方程离散为 由节点未知量表示 的代数方程 组 ， 为 了降低误 差 ， 采用二阶迎风格式作 为离散格式 。由于控 制方 程组 中速度及压力等变量互相耦合在一起 ， 若联立 求解则需要大量 的内存及 时间， 因此本文采用改进 的压力修正 法 S I MP L E C 求解控制 方程组。湍 流 【 基金项目】 国家自然科学基金重点项目 5 0 6 3 8 0 1 0 ． 【 作者简介】 孙珍茂 1 9 7 9一 ， 男， 安徽太湖人 ， 博导生， 主要研究方向为结构风工程。E ma i l z h e n m a o s u n 1 6 3 ． c o m 6 8 模型采用 R N G k一占模型 ， 该模型能够较好地处理 流线弯曲程度较大的流动。由于 R N G k 模型只 适用于充分发展的湍流区， 而壁面区流动几乎是层 流 ， 因此 ， 在壁面区不进行求解 ， 而是利用壁面函数 法将壁面上的物理量与湍流核心区联系起来 J 。 将数值计 算得到的覆冰导线模型表面 的压强 和切应力在整个表 面积分得到作用在导线模型上 的升力、 阻力和扭矩。其特征量分别定义为无量纲 气动力系数 2 式中 C D 为阻力系数、 为升力系数、 为扭矩系数； 、 、 分别为单位长度导线所受的阻力、 升力及扭 矩； P为流体密度， 为水平风速， D为导线直径。 a 0 T 1 2 T ／ 2 2 ． 2尾 涡及气 动力特 性分析 本文以 L H G J T一 4 4 0导线上覆新月形覆冰为例 来计算气动力系数。该导线直径为 3 2 ． 7 6 m m ， 假 设覆冰厚度为 2 0 ram， 水平风速 为 1 0 m ／ s ， 计算模 型如图 2所示。经计算可知 R e 2 ． 0 X 1 0 ， 处于亚 临界状态 ， 尾流将形成 明显卡 门涡街。查表可知斯 托罗哈数约为 0 ． 2 ， 计算得该覆冰导线漩 涡脱落频 率约为 0 ． 0 1 2 s 至 0 ． 0 1 8 s 。数值模拟结果表明， 9 0 。 风攻角时覆冰导线尾流涡的变化周期为 0 ． 0 1 6 s ， 这 与理论值是 比较吻合 的。一个周期 内的尾流变化 如图 3所示 。 图 2 新 月形覆冰导线计算模 型 图3新月形覆冰导线尾涡 耗 流盼舞 鬟 蔓动 力 特谯数 值模 拟 6 9 由图 3可知 ， 尾流在一个周期内呈周期性变化。 不管哪一时刻， 导线后方上边缘及下边缘均有尾涡 相连 ， 但涡 的大小则随时发生变化 。0 T时刻 ， 上边 缘相连的大涡最大， 一直延伸到导线 的中下部， T ／ 4 时刻 ， 上边缘相连的尾 涡逐渐减小 ， 直到 T ／ 2时刻 ， 导线下边缘的尾涡达到最大 ， 此时导线 的尾涡基本 上是 0 T时刻尾涡的镜像 。3 T ／ 4时刻 ， 导线下边缘 尾涡逐渐减小 ， 上边缘尾涡逐渐增大 ， 直到 T时刻 导线的尾 涡又恢 复成 为 0 T时刻 的形状。 由此 可 知 ， 覆冰导线的气动力不是一个 常数 ， 而是呈周期 性变化 。由于尾涡的频率远大于导线舞动的频率 ， 因此 ， 研究导线舞动所需 的气动力 系数可取一个周 期内的平均值 。 在风攻角 0 。 ～1 8 0 。 之内， 每隔 1 0 。 计算一次 覆冰导线 的气 动力 系数 ， 所得 气 动力 曲线 如 图 4 所示 2 5 2 0 瓤 1 5 垛1 ． 0 o s 0 ． 0 - o 5 1 O -l 5 _ 20 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 o 9 0 l 0 0 1 1 0 1 2 0 1 3 0 1 4 0 1 5 0 1 6 0 1 7 0 1 8 0 0 9 图 4新月形覆冰气动力曲线 由图4可知 ， 风攻角在 4 0 。 ～1 1 0 。 范 围之内时 ， 升力系数的斜率为负值 ， 根据邓哈托舞动理论 可知 当风攻角位 于该 范围时导线 可能会发生横风 向舞 动 ⋯。风攻角在 0 。一4 0 。 和 1 5 0 。～1 8 0 。 范围之 内 时， 扭矩系数为负值 ， 根据尼戈尔舞 动理论 可知 当 风攻角位 于该 范 围时 导线 则可 能会 发 生扭 转 舞 动 。由图4可知 ， 6 O 。 风攻角时升力系数负斜率 绝对 值最 大 ， 经 计 算 可 得 该 风 攻 角 时 邓 哈 托 系 数_ 1 z l C 。a C ， ／ a O为 一1 ． 6， 因此， 根据邓 哈托舞动 判别准则可知攻角为 6 O 。 时导线会发生舞动。 3装 有拢 流 防舞器 的覆 冰输 电导线 气动 力 特性数值模拟 扰流防舞器的节距通常为 1 ． 8 m， 防舞器的干扰 段由两节组成 ， 截面直径为导线直径的 0 ． 7 5倍。将 扰流防舞器安装到 L H G J T _ 4 4 0导线上， 覆冰仍然假 设为 2 0 m m厚的新月型覆冰。将一个节距之 内的导 线 、 扰流防舞器和覆冰三者组成的复合体等分为 8 段 ， 每段导线的气动力系数都用该段导线两个端截 面的气动力系数的平均值来表示 ， 而装有扰流防舞 器的一个节距之 内的覆冰导线 的气 动力系数则可 以取为 8段导线气动力系数的平均值。每个节距之 内的 8个等分截面如图 5所示。 圈 5 装有扰流防舞器的覆冰导线 8等分截面示意图 利用 C F D技术计算 了图 5所 示的每个截面的 气动力 曲线。为 了研究 扰流防舞器能否使不 同截 面的气动力互相抵 消， 取 3截面和 7截面这一对对 称截面的升力系数曲线进行分析 ， 3、 7截面的升力 系数曲线如图 6所示。 4 3 2 1 0 1 _ 2 3 _ 4 图 6 3 、 7截面升力 系数 曲线 由图 6可知 ， 当风攻角在 1 0 。 ～ 7 0 。 范围之 内时， 3截面的升力系数曲线的斜率为负值且其绝对值很 大 ， 易于发生舞动 ； 但风攻角在该范围之 内时 7截面 的升力系数 曲线 的斜率则 为正值 ， 不 易发生舞动。 另外 ， 由图 6还可知风攻角位于该范 围之内时 3截 面和 7截面所受升力的方向基本相反 ， 3 、 7截 面的 升力系数 的平均值曲线要比 3截面的升力系数 曲线 平缓很多。因此 ， 扰流 防舞器可以使这两个截 面的 升力互相抵消。将 3 、 7截面的升力系数平均值曲线 与无扰流 防舞器 时的覆冰导线 的升力 系数 曲线进 ㈣ ㈤ {三 ； ㈤ ㈤ ㈤ ㈦ ④ ⋯ 7 0 行对 比， 可以发现 3 、 7截面的升力 系数平均值 曲线 的负斜率 的绝对值要略大于无扰 流防舞器 时的覆 冰导线的升力曲线的负斜率的绝对值。因此， 从减 小负斜率 的绝对值的角度来说扰 流防舞器不 能起 到防舞的作用。 将 8个等分截面的气动力系数 曲线取平均， 即 得到安装有扰流防舞器的覆冰导线的气动力 曲线 ， 如 图 7所示 。 3 2 t 莽o l - 2 0 1 0 2 0 3 o 4 0 5 0 6 0 7 0 8 o 9 0 l 0 0l 1 Ol 2 0 i 3 o1 4 0 1 5 O l 印 l 7 0 1 8 o 0 9 图 7装有扰流防舞器 的新 月型覆冰导线气动力曲线 比较图 4和图 7可以发现， 安装扰流防舞器 以 后阻力系数 显著增大 ， 如 0 。 风攻 角时阻力 系数 由 0 ． 8 增大到 1 ． 9 ， 9 0 。 风攻角时阻力 系数 由 2 ． 4增大 到3 ． 1 ； 安装扰流防舞器以后升力系数的大小没有发 生变化 ， 升力系数曲线负斜率 的绝对值也基本没有 变化 ； 安装扰流防舞器 以后扭矩系数曲线 比没有安 装扰流防舞器时平缓 ， 如扭矩系数的最小值由 一 2 ． 0 增大到 一1 ． 5 ， 最大值 由 0 ． 9 7减小为 0 ． 8 7 ， 扭矩系 数负斜率的绝对值显著减小。根据邓哈托舞动理 论， 舞动发生的必要条件是邓哈托系数 c 。O C ／ 0 0 为负值 ， 升力系数负斜率 的绝对值越大则舞动发生 的可能性越大， 阻力系数越小则舞动发生的可能性 越大 。安装扰流防舞器 以后 ， 虽然升力系数负斜率 的绝对值基本 没有减小 ， 但阻力系数显著增大 了， 因此 ， 扰流防舞器具有一定 的防舞作用。再根据尼 戈尔扭转舞动理论 ， 扭转舞动发生 的必要条件是扭 矩系数的斜率为负⋯J 。安装扰流防舞器以后 ， 扭矩 系数负斜率 的绝对值显著减小 ， 因此 ， 扰流 防舞器 也具有抑制扭转舞动的作用。 4 结论 本文利用 C F D技术模拟 了新月形覆冰导线和 安装了扰流防舞器 以后覆冰导线 的气动力 曲线， 分 析 了扰流防舞器 的防舞效果 ， 主要得到以下结论 1 ．扰流防舞器能增大覆冰导线的阻力系数 ； 2 ．安装扰 流防舞器 以后升力系数 曲线没有明 显变化 ； 3 ．安装扰 流防舞器 以后扭矩 系数负斜率的绝 对值减小。 参考 文献 [1]朱宽军， 付东杰， 等． 架空输电线路的舞动及其防治 [ J ] ． 电力设备 ， 2 0 0 8 ， 9 6 8 1 2 ． [ 2]张鸣， 陈雄波． 架空输电线路导线舞动机理及防舞动 研究[ J ] ． 湖北电力， 2 0 0 8 ， 3 2 1 4 3 ． 4 6 ． [ 3]郭应龙， 李国兴 ， 尤传永． 输电线路舞动[ M] ． 北京 中 国电力出版社 ， 2 0 0 3 8 9 - 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